北大徐东升团队Adv. Funct. Mater.：用于高效率和稳定平面的Sn基钙钛矿太阳能电池的SnO2-CPTA电子输运层

【引言】

Pb基杂化钙钛矿太阳能电池具有优异的功率转换效率，但铅元素的毒性限制了大尺度Pb基钙钛矿太阳能电池的应用，考虑到环境友好因素，研究者们也在寻找能够替代钙钛矿中的有毒成分铅，Sn则是一个有力备选——Sn基钙钛矿具有和Pb基钙钛矿相近的光学和电学性质。然而，Sn基钙钛矿在空气中的稳定性差，阻碍了研究的进一步推进。稳定性低的原因之一是Sn²⁺被氧化成Sn⁴⁺，氧化过程使钙钛矿的杂质含量显著增加，表现为一个金属导体，从而造成过剩的载流子符合，有时甚至会引发器件短路。为保护Sn基钙钛矿，研究人员提出了加入SnF₂，控制还原气氛，形成2D/3D复合材料或3D孔状结构等一系列方案。为提高Sn基钙钛矿的效率和稳定性，需要介孔TiO₂作为电子优选层。介孔TiO₂的引入使得制备过程更加复杂，且制备过程需要高温。相比之下，简化的平面异质结说明平面结构在技术上更加可行。此外，平面钙钛矿太阳能电池可在低温下通过溶液制备，大大降低了制备成本。然而，和介孔型钙钛矿太阳能电池相比，平面结构的功率转换效率特别低，这可能是由于界面间接触不良和电荷转移层不合适造成的。

【成果简介】

对于太阳能电池器件来说，Sn基杂化钙钛矿材料因具有环境友好型而备受关注。

近日，北京大学徐东升教授和梁永齐博士（共同通讯作者）在Advanced Functional Materials上发表了题为“SnO₂-C60 Pyrrolidine Tris‐Acid (CPTA) as the Electron Transport Layer for Highly Efficient and Stable Planar Sn-Based Perovskite Solar Cells”的文章。本文作者发现Sn基钙钛矿平面太阳能电池中，极性富勒烯（CPTA）薄层的存在对于效率的提高至关重要。作者将极性富勒烯引入到SnO2和钙钛矿之间，得到具有平面n-i-p架构的{en}FASnI₃太阳能电池，其功率转换系数可达到7.40%，且器件在空气环境下表现出优异的稳定性。这是在高效Sn基杂化钙钛矿太阳能电池中首次获得n-i-p结构，高达0.72V的开路电压是目前被报道的FASnI₃太阳能电池最大开路电压。

【图文导读】

图1：具有平面n-i-p结构的Sn基钙钛矿太阳能电池。

(a)器件结构和CPTA分子结构的示意图；

(b){en}FASnI₃薄膜的XRD图样；

(c){en}FASnI₃薄膜的SEM形貌图像；

(d)完整的太阳能电池的横截面SEM图像。

图2：极性富勒烯功能层的表征。

(a)有/无CPTA层的FTO-SnO2薄膜的拉曼谱；

(b)有/无CPTA层的FTO-SnO2薄膜在Sn 3d层的XPS表征。

图3：{en}FASnI₃太阳能电池的光电性能。

(a)AM 1.5太阳光照刺激下，有/无CPTA的太阳能电池J-V扫描；

(b)用正反两种扫描测得的最佳器件的J-V曲线；

(c)在435V偏压下太阳能电池的稳定光电流输出；

(d)太阳能电池的EQE曲线:；

(e)48种钙钛矿太阳能电池的功率转换效率直方图；

(f)太阳能电池不做封装存放在空气环境下的设备性能（200min，湿度60%，温度25^oC）。

图4：CPTA 对器件电子转移和光致发光能力的影响。

(a){en}FASnI₃薄膜的光致发光谱；

(b){en}FASnI₃薄膜的时间分辨光致发光谱（激发波长：479nm）；

(c){en}FASnI₃薄膜沉积在FTO/SnO2/CPTA 基质上的光致发光谱测量；

(d)Sn基钙钛矿太阳能电池的能带对准图。

【小结】

总的来说，该篇文章中作者在对一步法配合的反溶剂进行了系统优化，成功制备了高质量的{en}FASnI₃薄膜。SnO₂作为一种在铅基钙钛矿中经常作为电子转移层使用的材料，在Sn基钙钛矿中的使用存在着问题。在SnO₂薄膜中引入CPTA进行修饰，作为电子优选媒介，从而在具有n-i-p架构的{en}FASnI₃薄膜平面结构中，达到了7.40%的功率转换效率。此外还得到了{en}FASnI₃薄膜的最高开路电压0.72V。该工作阐明了{en}FASnI₃薄膜的疑点，证明高效Sn基钙钛矿用于太阳能电池的易得性。这有助于建立一个进一步优化和阐释具体工作机理的有利基础。

文献链接：SnO₂-C60 Pyrrolidine Tris‐Acid (CPTA) as the Electron Transport Layer for Highly Efficient and Stable Planar Sn-Based Perovskite Solar Cells（Adv. Funct. Mater.，2019，DOI：10.1002/adfm.201903621）

本文由Isobel撰写。