曹靖&彭勇&张磊Angew.：异质金属氧簇定向转变：制备钙钛矿太阳能电池宽带隙正极夹层的新方法！

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研究内容

有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其独特的光电财产和易于制造的技术而备受关注。仅在几年内，PSCs的功率转换效率（PCE）已从3.8%提高到25.7%，远远超过基于铜铟镓硒化物（CIGS）和碲化镉（CdTe）的光伏器件。金属氧簇作为金属氧化物的结构和反应性模型，允许通过金属掺杂和含S配体修饰实现方便的化学功能化，为制备新的功能化无机材料提供了可能性。宽带隙正极夹层材料在不限制钙钛矿太阳能电池（PSC）中电荷传输的情况下，难以减少界面复合。

兰州大学曹靖教授、彭勇教授和中国科学院福建物质结构研究所张磊研究员在钙钛矿和SnO2的界面处引入了由含S配体保护的铅掺杂钛氧簇。通过原位加热，团簇转变为PbSO4-PbTi3O7异质结构。结果显示，改进的PSC的效率高达24.2%。相关工作以“Directional Transformation of Heterometallic Oxo Clusters: A New Approach to Prepare Wide-Bandgap Cathode Interlayers for Perovskite Solar Cells”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

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研究要点

要点1.作者在钙钛矿和SnO2的界面上涂覆了由含S有机配体保护的铅掺杂钛氧簇。进一步定向转化为具有优异稳定性的宽带隙硫酸铅（PbSO4）和钛酸铅（PbTi3O7）。

要点2.异质结构中硫酸根离子的氧原子与钙钛矿中的碘连接，促进界面电子提取并减少电荷复合。PbSO4和PbTi3O7之间产生的金属界面促进了电子在界面上的传输。

要点3.改进的PSC的效率高达24.2%。异质结构很好地稳定了钙钛矿和SnO2的界面大大提高了器件的稳定性。

该工作为通过异质金属氧簇的定向转化制备宽带隙阴极夹层提供了一种新的策略。

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研究图文

图1.（a）团簇的晶体结构和原位转变。（b）模拟PbSO4、PbTi3O7和PbSO4-PbTi3O7从团簇转化的XRD。（c-e）PbSO4（100）和PbTi3O7（011）异质结构的HAADF-Cs-STEM。（f）PbSO4-PbTi3O7改性PSC的示意图。没有（g）和有（h）PbSO4-PbTi3O7改性的SnO2衬底的SEM。

图2. 具有和不具有PbSO4-PbTi3O7涂层的SnO2衬底的UPS光谱的电子截止区（a）和价带区（b）。（c）PSC中的能带对准。（d）钙钛矿（PVSK）、PbSO4-PbTi3O7和PVSK具有PbSO4-PbTi3O7的PVSK的拉曼光谱。（e）PbSO4和PVSK之间NEGF传输区的几何结构。PbSO4-PVSK系统的电子输运概率（f）和预测的局域化态密度（g）。（h）PbSO4和PbTi3O7的NEGF传输区的几何结构。（i）PbSO4（100）和PbTi3O7（011）界面的电子结构。（j）PbSO4-PbTi3O7异质结构的电子传输概率。

图3. 不含（a）和含（b）PbSO4-PbTi3O7的钙钛矿膜的SEM。不含（c）和含（d）PbSO4-PbTi3O7的钙钛矿膜的AFM。（e）不含PbSO4-PbTi3O7钙钛矿薄膜的光致发光光谱。不含PbSO4-PbTi3O7和含PbSO4-PbTi3O4的器件的Mott-Schottky分析（f）和EIS（g）。

图4. 具有（a）和不具有（d）PbSO4-PbTi3O7的器件的截面AFM。在具有（b）和不具有（e）PbSO4-PbTi3O7的器件的横截面表面上拍摄的KPFM表面电位（SP）。具有和不具有PbSO4-PbTi3O7的器件的横截面表面的表面电势分布（c）和电场分布（f）。

图5.（a）含有PbSO4-PbTi3O7的PSC的截面SEM。（b）在无PbSO4-PbTi3O7和有PbSO4-PbTi3O8的PSC的反向（RS）和正向（FS）扫描中测试的最佳J-V。（c）20个不含和含PbSO4-PbTi3O7的PSC的效率直方图。（d）85℃和~30%湿度下的热稳定性。（e）在AM 1.5 G照明和～65℃的N2气氛中的光稳定性。（f）在环境条件下在～65%湿度下测量的水分稳定性。

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文献详情

Directional Transformation of Heterometallic Oxo Clusters: A New Approach to Prepare Wide-Bandgap Cathode Interlayers for Perovskite Solar Cells

Guo-Bin Xiao, Xijiao Mu, Shuyu Zhou, Liu Zhu, Yong Peng,* Qing Liang, Xiaoxin Zou, Jian Zhang, Lei Zhang,* Jing Cao*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: 10.1002/anie.202218478

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