Energy Environ. Sci.: 克服钙钛矿电池陷阱缺陷的新思路—引入成对电偶极层

【引言】

卤化物钙钛矿由于其优异的光电特性，成本低廉，制备工艺简单，能带连续可调等一系列优势，受到了研究者的广泛关注。尤其在太阳能电池领域，有机—无机杂化钙钛矿电池的光电转换效率已经达到22.7%，超过了商业化的晶硅太阳能电池。然而，多晶钙钛矿薄膜不可避免地会在晶界处产生难以控制的陷阱缺陷，捕获电子和空穴，进而严重影响器件的效率、可重复性和稳定性，限制钙钛矿电池的进一步发展。为了降低缺陷密度，一系列提高薄膜质量的方法如溶剂工程，引入添加剂等已经被尝试，但是由于钙钛矿对于制备环境微小变化的敏感性，控制钙钛矿中的陷阱缺陷密度依旧是很大的挑战。此外，对光生载流子施加一强电场，有效促使载流子到达对电极有望克服这一问题，因此寻找一种提高钙钛矿层中内建电场，进而有效提取光生载流子的方法至关重要。

【成果简介】

近日，韩国GIST（光州科学技术院）Kwanghee Lee等人通过在阳极引入p-PFP-O作为空穴提取层，在阴极引入PFN作为电子提取层，在界面处形成强电偶极，设计了ITO/p-PFP-O/PTAA/perovskite/PC₆₁BM/PFN/Al 结构的平面型钙钛矿电池，提高钙钛矿层内建电场，降低器件中载流子非辐射复合损失，进而显著提高电池的效率和可重复性，光电转换效率最高达19.4%，平均效率18.0%，高于传统载流子提取层（PEDOT:PSS和TiO_x）组装的电池。相关成果以题为“Introducing paired electric dipole layers for efficient and reproducible perovskite solar cells”发表在Energy Environ. Sci.上。

【图文导读】

图一短路条件下P-I-N平面钙钛矿器件结构和能级示意图

(a) 钙钛矿器件缺陷处载流子陷阱以及内建电场作用下载流子提取和脱陷阱过程图解；

(b) 在半导体和金属间引入成对电偶极层前后钙钛矿器件的能级示意图。

图二钙钛矿器件结构及薄膜表征

(a) 电偶极层（p-PFP-O和PFN）的化学结构以及钙钛矿电池器件结构；

(b) 钙钛矿电池的能级示意图；

(c)，(d) p-PFP-O or PEDOT/PTAA/MAPbI₃的表面SEM；

(e) p-PFP-O or PEDOT/PTAA/MAPbI₃的XRD；

(f) p-PFP-O or PEDOT/PTAA/MAPbI₃可见吸收光谱。

图三表面电势、接触电势差表征

在不同基底(2μm*2μm)上PTAA的表面电势图：(a) ITO，(b) ITO/PEDOT:PSS，(c) ITO/p-PFP-O，(d) MAPbI₃/PC₆₁BM，(e) MAPbI₃/PC₆₁BM/TiO_x，

(f) MAPbI₃/PC₆₁BM/PFN；

CPD（接触电势差）柱状图：(g) ITO/PTAA，ITO/( PEDOT:PSS or p-PFP-O) /PTAA；(h) MAPbI₃/PCBM/(TiO_xor PFN)；

(i,h)CPD值分布图。

图四PFN的界面偶极子取向示意图

(a) Al（原位沉积）和Al/PFN（由ITO/PC₆₁PM/PFN/Al中分离）的UPS图；

(b) Al/PFN的能级示意图；

(c) Al沉积前后PFN中离子的不同取向示意图。

图五钙钛矿电池器件性能

(a) 钙钛矿电池的J-V性能曲线；

(b) 钙钛矿电池的J-V性能曲线分布；

(c) 归一化后的钙钛矿电池J-V性能曲线图；

(d) PCE，(e) J_sc，(f) FF，(g) V_oc的直方统计。

【小结】

该研究提出了一种简单的提高钙钛矿内建电场的方法，合理地选择了p-PFP-O和PFN分别作为空穴和电子提取层，引入强电偶极层，进而有效提取光生载流子，显著提高了器件的效率及可重复性，为钙钛矿薄膜中陷阱缺陷问题的解决提供了新的思路。

文献链接：Introducing paired electric dipole layers for efficient and reproducible perovskite solar cells（Energy Environ. Sci.2018,DOI: 10.1039/C8EE00162F）

通讯作者简介

Kwanghee Lee，韩国GIST（光州科学技术院）材料科学与工程系教授，Heeger先进材料中心副主任，研究方向为聚合物器件如聚合物LED，聚合物太阳能电池，聚合物FET等，其重要成果发表在国际著名期刊Nature，Science，Nature Photonics，Adv. Mater，Phys.Rev，Adv.Funct.Mater等。

本文由材料人编辑部新人组杨小昆编辑，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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