田庆文副教授、刘生忠教授，AEM观点：无机钙钛矿太阳电池效率突破20%！自发构建2D/3D多维异质结构增强空穴提取- 大数跨境

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田庆文副教授、刘生忠教授，AEM观点：无机钙钛矿太阳电池效率突破20%！自发构建2D/3D多维异质结构增强空穴提取

科学材料站

2021-11-22

导读：该文章提出构建2D/3D多维异质结构增强无机钙钛矿太阳电池空穴提取的研究成果。

文章信息

无机钙钛矿太阳电池效率突破20%！自发构建2D/3D多维异质结构增强空穴提取

第一作者：张诗昂，张璐

通讯作者：田庆文*，刘生忠*

单位：陕西师范大学

研究背景

近年来，无机钙钛矿太阳电池因其优良的热稳定性和化学稳定性而成为备受关注的研究热点。目前制约无机钙钛矿太阳电池光电转换效率的主要因素是：载流子被钙钛矿表面缺陷所捕获导致电荷于界面处堆积进而造成严重的非辐射复合，最后导致界面处产生了较高的能量损失(Eloss)。

针对这一问题，我们开发出一种室温下可自发构建形成的2D/3D异质结构的策略，该结构可以有效增强空穴提取传输并改善电荷在界面积累的问题。

文章简介

基于此，陕西师范大学的田庆文副教授&刘生忠教授，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Spontaneous Construction of Multidimensional Heterostructure Enables Enhanced Hole Extraction for Inorganic Perovskite Solar Cells to Exceed 20% Efficiency”的文章。

该文章提出构建2D/3D多维异质结构增强无机钙钛矿太阳电池空穴提取的研究成果。本工作通过引入2-(4-甲氧基苯基)乙胺氢溴酸盐(MOPEABr)，室温条件下，在无机钙钛矿表面自发形成Ruddlesden–Popper 型2D钙钛矿 (MOPEA)2Pb(BrxI4-x)，从而构建 2D/3D多维异质结构。研究发现形成的2D钙钛矿能有效地介导载流子的输运，在纳秒时间尺度上保持长寿命的电荷分离状态，促进载流子注入空穴传输层，从而大大提高空穴提取效率。

此外，由于MOPEABr结构中的甲氧基团具有较强给电子能力，增加了苯环上电子云密度，从而与未完全配位的Pb2+之间形成更强的静电作用，进而起到较强的钝化效果。经过MOPEABr处理后的无机钙钛矿太阳电池光电转换效率高达20.31%，并获得了的超高的开路电压(Voc)1.23V以及超低的能量损失(Eloss)0.49V。

图1. 自发构建2D/3D多维异质结构增强空穴提取机理，以及最高效率J-V曲线

本文要点

要点一：优化器件测试结果

经MOPEABr处理过后器件效率由19.05%提高至20.31%，开路电压(Voc)提升至1.23V，并获得82.35%的高填充因子。MOPEABr处理后的器件平均效率有明显提升且效率分布相对集中，表明该实验结果具备较好的重现性。

根据图EQE测试我们得到了控制组与优化组的积分电流分别为20.22mA/cm2和19.99 mA/cm2与J-V测试结果的短路电流相匹配。为进一步证明效率可信度，我们用AM1.5G，100mW/cm2的标准太阳光于最大功率点持续追踪150s后，得到20.15%的稳定输出功率。我们统计40个不同类型器件的相关参数，发现效率提升主要来源于填充因子(FF)与开路电压(Voc)的改善。

图2. CsPbI3−xBrx无机钙钛矿太阳能电池光伏器件性能比较

要点二：TAS分析载流子动力学

利用超快瞬态吸收（TAS）研究载流子传输与复合。测试结果表明，在形成的2D/3D异质结构中，电荷转移少于0.23 ps，我们发现2D结构对3D结构具有强空穴提取能力，并在纳秒时间尺度上保持长寿命的电荷分离状态，这大大减少了载流子在界面和本体的复合。

此外，结合图(g)与(h)发现得益于2D结构对3D结构的空穴提取能力的提高，空穴传输层（Spiro-OMeTAD）对2D/3D的空穴提取能力同样获得了显著的提高。

图3. 采用TAS分析载流子动力学：2D: (MOPEA)2Pb(BrxI4-x), 3D: CsPbI3-xBrx, 2D/3D: (MOPEA)2Pb(BrxI4-x)/CsPbI3-xBrx

要点三：光电性能变化

经MOPEABr钝化后薄膜的荧光发射峰明显增强，同时发生了蓝移，载流子平均寿命延长。根据缺陷态密度，处理后的器件的缺陷极限电压降低，缺陷态密度明显降低，载流子迁移率增加。通过KPFM测试发现薄膜的表面电势提高。

众所周知，苯环上的大π键是电子给体，与电子受体相互作用。考虑到苯的空间效应，静电相互作用更适合于与未完全配位的Pb2+相互作用，而不是通过配位键或离子键。因此，提高苯环的电子密度可以更有效抑制钙钛矿表面缺陷并使其钝化。

幸运的是，MOPEABr的甲氧基是一个很好的给电子基团，这有利于增加苯环上的电子密度，从而增强了其与未配位Pb2+的静电相互作用，从而降低了缺陷密度。

此外，上移的能带排布更有利于空穴的提取，有效地减少了载流子在钙钛矿/HTL界面上的积累，从而抑制了复合，这与电池器件中的FF、VOC的改善相一致。

图4.光电性能的变化

要点四：环境与热稳定性测试

经MOPEABr处理后的钙钛矿薄膜表现了较好的环境稳定性。形成的2D/3D异质结构的太阳电池器件，在未封装条件下于空气中放置800h后仍可保持初始效率的90%以上。

此外，对2D-(MOPEA)2Pb(BrxI4-x)进行热重分析测试，结果表明形成的2D钙钛矿具有较好的热稳定性。我们在氮气环境中将未封装太阳电池器件置于65℃加热板持续追踪100个小时，我们发现器件仍可保持初始效率的95.3%，表明钝化后器件具备更好的热稳定性。

在我们的工作中，获得更好的热稳定性的主要障碍是使用热稳定性较差的Spiro-OMeTAD作为空穴传输层。我们认为，如果将来优化使用耐热无机空穴传输材料，如CuSCN，将会很大程度上提高电池器件的热稳定性。

图5. 环境稳定性与热稳定性测试

文章链接

Spontaneous Construction of Multidimensional Heterostructure Enables Enhanced Hole Extraction for Inorganic Perovskite Solar Cells to Exceed 20% Efficiency

https://doi.org/10.1002/aenm.202103007e

通讯作者简介

田庆文副教授

2015年于中国科学院长春应用化学研究所获博士学位。现为陕西师范大学新能源高等技术研究院及陕西省能源新材料与器件重点实验室副教授。研究领域主要集中在以溶液法制备全无机钙钛矿、铜锌锡硫硒、铜铟镓硒薄膜太阳能电池器件及光电性能的改善。以第一作者和通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Chem. Mater.，J. Mater. Chem. A等学术刊物上发表多篇研究论文。

刘生忠教授

1992年在美国西北大学 (Northwestern University) 获博士学位。1992-2011年间，先后在美国Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）、Solarex、BP Solar、United Solar从事研究工作。2012年起回国工作，任陕西师范大学-中国科学院大连化学物理研究所特聘教授，洁净能源国家实验室太阳能部副部长、陕西师范大学新能源高等技术研究院院长，陕西省能源新材料与器件重点实验室主任、陕西师范大学陕西省能源新技术工程实验室主任。研究领域集中在太阳能电池、钙钛矿单晶材料、纳米材料、薄膜材料、光电功能材料、激光表面处理和光伏技术的开发、放大和生产。担任J. of Energy Chemistry 期刊（Elsevier）国际顾问，ACS Sustainable Chemistry & Engineering编委，Nano Select 副主编，Advanced Functional Materials 专刊编辑等。基础研究成果曾发表在Science、Nature、JACS、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Angew. Chem. Int. Ed. 等刊物上。参与承担国家重点研发计划，基金委重点项目集成项目，中国科学院先导专项、省部委重大重点项目和企业项目等。发表SCI论文200余篇，h-因子67，获国际和中国授权专利六十余项。