研究背景

在过去几年中，金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其低成本溶液制备工艺、可调带隙和高缺陷容限等优势而受到广泛关注。通过在成分工程、结晶调制、后处理、电荷传输层（CTL）优化等方面的大量研究，目前最先进的PSCs现已实现了超过26%的极高认证功率转换效率（PCE），已接近单晶硅太阳能电池的值。

为了进一步提高PSC的效率和稳定性，人们对钙钛矿薄膜的表面后处理进行了大量研究，以钝化缺陷和抑制非辐射复合能量损失，尤其关注具有大量缺陷的埋入式界面。一种有效的调节埋入式界面的方法是在CTL和钙钛矿层之间引入界面分子。为了发挥钝化作用，界面分子应与构成钙钛矿的元素发生强烈的相互作用或反应。然而，如果这种相互作用过强，可能会导致界面分子在成膜过程中不可控地插入钙钛矿体层，从而降低器件的性能。同时，在高温下器件运行期间，与钙钛矿反应的界面分子可能会逐渐嵌入钙钛矿体中，导致器件进一步退化。

为了解决上述问题，研究人员设计了与钙钛矿反应性最小的界面分子，并制定了有效的针对性策略。发现界面分子与埋入CTL形成的键的强度与其与钙钛矿形成的键之间存在竞争：即与CTL形成的结合越强，与钙钛矿的结合就越弱。因此，对于那些反应性界面分子，通过增强与埋入CTL的结合，从而削弱与钙钛矿的结合，来协调它们的双边结合应该是一个有效的策略，这在PSCs领域很少被研究。此外，同一界面分子在相同半导体类型的不同种类的CTL（如n型TiOx和SnOx）上沉积时，通常对器件性能有不同甚至相反的影响，这可能是由于界面分子与不同CTL的结合强度存在差异。这种双边键协调策略可以解决这一挑战，并避免在后续沉积钙钛矿前体溶液的过程中界面分子从CTL上分离或解吸。

研究成果

近日，北京大学朱瑞教授&赵丽宸副研究员合作报道了，选用双（2-氨基乙基）醚（BAE）作为n-i-p PSCs中钙钛矿和电子传输层（ETL）之间的界面分子，并制定了一种协调BAE双边键强度的策略。特别是，通过掺杂来调整ETL的电子结构，从而增强BAE-ETL键的强度，相应地减弱了BAE-钙钛矿键。界面分子双边键的协调导致PSCs的效率超过26.5%（认证效率为26.31%），稳定性得到提高。相关研究工作以“Harmonizing the bilateral bond strength of the interfacial molecule in perovskite solar cells”为题发表在国际顶级期刊《Nature Energy》上。

研究内容

这项研究选择双（2-氨基乙基）醚（BAE）作为n-i-p PSCs埋入界面的界面分子，使用TiOx或SnOx等金属氧化物作为电子传输层（ETL）。BAE分子具备两个-NH2端基：其中一个-NH2与金属氧化物表面的-OH反应，从而锚定在金属氧化物上并发挥钝化作用。另一个-NH2则通过螯合作用钝化钙钛矿埋表面的缺陷，如未配位的铅离子。然后，通过掺杂Li2CO3来调节金属氧化物的电子结构，增强BAE分子与金属氧化物的结合，使界面更加坚固。BAE和金属氧化物之间结合强度的增强，导致BAE的双边结合强度更加协调，这一点通过理论计算得到证实。最终在TiOx基n-i-p PSCs中实现了小面积器件（>0.07cm2）为26.52%（认证为26.31%）和大面积器件（1.02cm2）为24.59%的PCE。此外，还证明了SnOx基n-i-p PSCs的PCE为25.30%。这种策略还可以稳定α相甲脒碘化铅（α-FAPbI3），提高PSCs的稳定性。

图1. BAE作为界面分子的影响

图2. Li2CO3掺杂对BAE-TiOx相互作用的影响

图3. BAE分子与钙钛矿组分之间的相互作用

图4. BAE的双边键协调对钙钛矿薄膜、界面和器件的改进

结论与展望

研究者选用了BAE分子作为界面相容剂，来调节埋入式CTL/钙钛矿界面。将BAE对基于TiOx和SnOx的PSCs性能的相反影响，归因于BAE与埋入式TiOx和钙钛矿的双边键强度的不协调。因此，研究者用Li2CO3掺杂TiOx，以进一步加强TiOx和BAE之间的相互作用，导致BAE和钙钛矿结合的相对减弱。BAE分子双边键的协调避免了在制备钙钛矿层过程中埋入界面的坍塌。这种协调策略使n-i-p PSCs在反向扫描中的PCE值达到26.52%（认证为26.31%）。此外，该策略也被证明适用于SnOx基PSCs。这种策略可以稳定FAPbI3的光活性相，提高PSCs在湿度、热量和光照方面的稳定性。这项研究可能会为其他埋入式界面，如p-i-n PSCs中的掺杂氧化锡电极/自组装单层/钙钛矿或NiOx/自组装单分子层/钙钛矿的未来调制提供新思路。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41560-024-01642-3