中科院宁波材料所Advanced Materials: 高效稳定钙钛矿太阳电池中2D/3D异质结的界面设计原则

第一作者：杨伟创，丁斌，林则东

通讯作者：盛江*，杨阵海*，叶继春*，Mohammad Khaja Nazeeruddin*

单位：中科院宁波材料所，瑞士洛桑联邦理工学院，苏州大学，北京大学深圳研究院

钙钛矿太阳电池成本低、光电转换效率高，被认为是新一代光伏技术之一。研发高效、稳定、可大面积制备的钙钛矿太阳电池技术是目前主要的发展目标，这通常需要对界面能级结构和缺陷密度进行优化和调控，特别是对于正置结构（n-i-p结构）来说，其空穴传输层材料（spiro-OMeTAD）与钙钛矿的能级失配、制备过程中产生的表面缺陷均会导致严重的非辐射复合损失。因此，理解界面能级位置、缺陷密度以及器件性能的定量关系，以及开发合适的界面调控材料至关重要。

近日，来自中国科学院宁波材料技术与工程研究所新能源所叶继春研究员与瑞士洛桑联邦理工学院的Mohammad Khaja Nazeeruddin教授合作，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Visualizing Interfacial Energy Offset and Defects in Efficient 2D/3D Heterojunction Perovskite Solar Cells and Modules”的研究文章。该工作详细讨论了将2D/3D钙钛矿异质结设计用于高效钙钛矿太阳电池时，界面能级排列、界面缺陷密度和光电转换效率之间的定量关系，并提出使用混合卤素2D钙钛矿来合理设计异质结界面。该工作对理解钙钛矿太阳电池的界面设计，开发合适的界面调控方法提供了理论和实验参考。

钙钛矿太阳电池的光电转换效率受能级排列和缺陷密度的影响，本研究首先通过器件模拟研究了钙钛矿/钙钛矿异质结设计用于界面调控时，界面能级排列和缺陷密度与效率的变化关系。研究发现，合适的能级排列，可以显著提高器件对缺陷密度的容忍度，例如，对于空穴传输界面来说，0.2 eV的界面能级差（Energy Offset）可将器件对界面缺陷容忍度提高3个数量级。

钙钛矿的能级位置与卤素种类和比例密切相关。本工作使用BAI（丁基碘化胺）和BABr（丁基溴化胺）作为2D钙钛矿的前驱体，通过后处理方法在3D钙钛矿上制备2D/3D钙钛矿异质结。通过表征发现，通过设计2D钙钛矿中卤素的种类，可实现对钙钛矿界面能级差的可控调节，通过载流子动力学测试证实了更优的能级排列可以显著提光生载流子的传输效率，并且形成的2D钙钛矿可显著钝化钙钛矿的表面缺陷和抑制的离子迁移。

进一步地通过第一性原理和器件仿真，本工作发现通过混合卤素2D钙钛矿设计可实现2D/3D钙钛矿异质结能级排列的可控设计，制备具有合适卤素比例的2D钙钛矿即可获得合适的能级排列，从而降低器件对界面缺陷的要求。2D钙钛矿往往由于长烷基链阳离子的存在，导电性较差，本工作还发现器件对2D钙钛矿导电性的要求与能级排列密切相关，优化能级排列可以降低对其导电性的要求，从而为2D/3D钙钛矿异质结界面提供宽的设计窗口。

要点四：基于2D/3D界面设计的高效稳定钙钛矿太阳电池

通过优选2D钙钛矿前驱体，制备得到了效率达到25.32%的小面积电池（认证效率为25.04%）和21.48%的大面积小组件电池（29cm²），并表现出出色的稳态输出稳定性，在最大功率点下连续输出2000小时后仍然保持了初始效率的90%。

叶继春研究员2001年本科毕业于中国科学技术大学, 2005年在加州大学戴维斯分校获得博士学位, 毕业后在美国硅谷Spanion（AMD spinoff）半导体芯片公司和太阳能业内闻名的初创公司从事研究工作。在半导体器件、太阳能电池、和材料等领域具有超过20年的研发积累，在工艺开发、工艺集成、和器件设计与制备表征等领域内有较为丰富的经验。

课题组网页：https://jichunye.nimte.ac.cn/

Mohammad Khaja Nazeeruddin教授简介：印度海得拉巴奥斯马尼亚大学无机化学博士。瑞士洛桑联邦理工学院的化学教授，研究重点是钙钛矿和染料敏化太阳能电池和发光二极管。参与开发稳定的钙钛矿太阳能电池组成和界面工程。发表了750多篇论文，10个书籍章节，75多项专利的发明人/共同发明人。

盛江副研究员简介：主要从事钙钛矿太阳电池、硅基异质结太阳电池和叠层太阳电池等的光电材料、界面工程和高效器件等方面的研究。在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nano Letters、ACS Nano、ChemSusChem和ACS Applied Materials & Interfaces等各类核心期刊上已发表SCI文章40余篇，申请国家专利10余项，其中半导体衍生的环保型彩色镀镍技术形成知识产权转移（转让费1100万，技术已产业化，获得3项行业奖）。获得了国家重点研发项目（2项）、国家青年科学基金、浙江省自然基金和宁波市自然基金等9项资助。

杨阵海简介：目前以第一作者 /通讯作者在Advanced Materials, Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Advanced Functional Materials, ACS Energy Lett., ACS Nano, Nano Energy等期刊发表论文20余篇；担任多个SCI期刊审稿人，包括：JMCC, Appl. Optics, Mater. Res. Express, Semicond. Sci. Tech., J Phys. D Appl. Phys., J Photon. Energy等；获‘2019年教育部优秀科技成果奖二等奖’一项（排名6/6）；获‘2019年中国光学学会光学科技奖二等奖’一项（排名6/6）；获‘宁波市优秀科技论文二等奖和三等奖’各一项；主持国家自然科学基金青年项目和宁波市自然科学基金各一项。