南昌大学陈义旺教授、胡婷副教授，Nano Letters：双界面钙钛矿异质结实现自封装高效稳定的钙钛矿太阳能电池

第一作者：李灯学

通讯作者：陈义旺*，胡婷*

单位：南昌大学

基于三维（3D）钙钛矿吸收剂的钙钛矿太阳能电池（PSC）由于其优异的光电性能，目前已经实现高达25.7%的能量转换效率（PCE），引起了广泛关注。然而，诸如非辐射复合损失、能级匹配和长期稳定性等问题仍然是严重的挑战。虽然许多提高器件稳定性的外部封装方法已经被报道，源自钙钛矿和电荷运输层的界面处的内部钙钛矿分解仍然不能避免，这是由于钙钛矿太阳能电池缺陷密度高以及界面处电荷积累和离子迁移造成的。

此外，钙钛矿的埋底界面在实际应用中通常是直接被光照射的，吸收光子能量引起的不稳定性也是迫切需要解决的问题。因此，钙钛矿的内在稳定性，无论钙钛矿本征稳定性或界面的稳定性，对钙钛矿太阳能电池的长期稳定性都至关重要。

基于此，来自南昌大学的陈义旺教授与胡婷副教授合作，在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Spontaneous Internal Encapsulation via Dual Interfacial Perovskite Heterojunction Enables Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells”的文章。该文章通过将二维钙钛矿组分与底部界面和顶部界面的三维钙钛矿活性层相互作用，构建了一个双界面钙钛矿异质结，从而实现了器件的自发内部封装。

图1. 双界面异质结结构示意图，以及相关表征。

由UPS测试得到的能级匹配表明，顶部2D/3D薄膜的表面从n型转向更多的p型。考虑到NMA在界面钙钛矿异质结区域的梯度分布，梯度的top-2D/3D异质结可能导致钙钛矿与空穴输运层（HTL）界面上的坡度能级转变。此外，顶部2D/3D薄膜表面VBM的增加（从−5.84到−5.41eV）显著降低了空穴传输层与钙钛矿之间的能量不匹配。结果表明，界面钙钛矿异质结的形成使钙钛矿的能级更为p型，促进了钙钛矿薄膜中的空穴提取到HTL，有效降低了钙钛矿/HTL界面的非辐射复合损失和VOC损失。

要点二：底界面异质结提高结晶质量

原位XRD结果表明，底部界面钙钛矿异质结延缓了上层三维钙钛矿的结晶速度，提高了它们的结晶质量。为了比较三维钙钛矿−衬底界面和底部二维/三维钙钛矿埋底界面的形貌，根据报道的方法从ITO玻璃/SnO_x衬底中剥离自旋涂层钙钛矿薄膜制备样品。SEM测试结果表明纯3D薄膜底部粗糙，有许多孔洞，但底部2D/3D钙钛矿薄膜的埋地形态明显光滑。底部二维结构可以提高三维钙钛矿结晶度，减少埋底界面处的缺陷。

要点三：双异质结界面实现内部封装，显著提高稳定性

随后，在不同的条件下制备并保存了未封装的薄膜或器件，以测试其长期稳定性。SIE基钙钛矿薄膜比三维钙钛矿薄膜具有更强的疏水表面。在室温空气65 ± 5% RH下老化3000 h，纯3D薄膜降解至无色，顶部2D/3D薄膜也显示出明显的降解痕迹，但SIE钙钛矿薄膜没有颜色变化，表现出最好的湿度稳定性。然后，在40 ± 5% RH的空气中加热85°C，进一步研究了钙钛矿薄膜的热稳定性。在相同的条件下，老化的SIE钙钛矿薄膜表现出更好的热稳定性，在XRD模式中只检测到一个非常弱的碘化铅峰，薄膜的颜色没有明显的变化。

SIE钙钛矿薄膜较好的固有热稳定性归因于双界面钙钛矿异质结的保护作用和共轭NMA阳离子之间强大的π−π相互作用。有机配体NMA的两个带正电荷的两端与带负电荷的无机层之间的强静电相互作用可以使这两个无机层更加致密。一旦二维钙钛矿结构形成，有机配体NMA的刚性主链和较强的π−π相互作用使其难以变形，从而显著提高了稳定性。

接下来进一步验证了相应器件的稳定性。如图所示，SIE器件的稳定性最好，在室温、65 ± 5% RH条件下老化2900 h后，保持了约88%的初始效率。此外，在室温下40 ± 5% RH的紫外线下老化200 h后，SIE装置可以保持初始PCE的88%；然而，3D器件的PCE下降到初始PCE的15%。同时，SIE装置在40 ± 5% RH和75°C的空气中加热500 h后，表现出最佳的热稳定性。相应的器件稳定性试验结果与薄膜稳定性试验结果一致。

Spontaneous Internal Encapsulation via Dual Interfacial Perovskite Heterojunction Enables Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells

陈义旺教授简介：南昌大学和江西师范大学教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，入选国家高层次人才特殊支持计划领军人才，国家百千万人才工程，德国洪堡奖学金获得者，享受国务院特殊津贴，俄罗斯自然科学院外籍院士。主持和完成国家自然科学基金重点项目/杰出青年基金项目/中德国际合作项目/面上项目11项、科技部973前期研究专项等项目。

以第一作者或通讯作者在Nat. Commun.; J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.; Adv. Mater.等国际期刊发表学术论文400余篇；获授权发明专利40项；撰写中英文专著2部，教材2部。获教育部自然科学二等奖1项(第1完成人)，获日内瓦国际发明展金奖，中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖，中国产学研合作创新奖，江西省教学成果二等奖3项(第1完成人)，中国侨界贡献奖，获全国宝钢优秀教师奖。

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