高效倒置钙钛矿太阳能电池中埋入界面缺陷的最小化

高效倒置钙钛矿太阳能电池中埋入界面缺陷的最小化

Shuo Zhang, Fangyuan Ye, Xiaoyu Wang, Rui Chen, Huidong Zhang, Liqing Zhan, Xianyuan Jiang, Yawen Li, Xiaoyu Ji, Shuaijun Liu, Miaojie Yu, Furong Yu, Yilin Zhang, Ruihan Wu, Zonghao Liu, Zhijun Ning, Dieter Neher, Liyuan Han, Yuze Lin, He Tian, Wei Chen, Martin Stolterfoht, Lijun Zhang, Wei-Hong Zhu, Yongzhen Wu. Minimizing buried interfacial defects for efficient inverted perovskite solar cells.

Science 2023,

380, 404-409

钙钛矿太阳能电池(PSCs)的功率转换效率(PCEs)超过25%，接近最先进的晶体硅太阳能电池的PCEs。进一步提高PSCs的性能和稳定性需要对钙钛矿吸收层和电荷传输层之间的界面进行精细的管理。对钙钛矿薄膜的顶表面及其与电荷传输层的界面的深入研究，已经导致了规则(n-i-p)和倒(p-i-n)结构的PCEs的改进。然而，在埋藏的钙钛矿-基底界面处操纵形态和缺陷更具挑战性，特别是在倒置结构的PSCs的情况下，已经证明了简化和低温制造过程并提高了器件稳定性。

在倒置聚碳酸酯中，钙钛矿吸收剂沉积在空穴传输层(HTL)上，这对钙钛矿成核和异质结的形成起着重要作用。溶液处理金属卤化物钙钛矿的常用溶剂是两亲性小分子，如

N,

N-二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)，但许多常用的HTLs，如聚三芳胺(PTAA)、NiO

x、PEDOT: PSS或用于倒置PSCs的自组装单层(SAM)，要么相对于钙钛矿前驱体溶液过于疏水，要么在与钙钛矿接触时化学不稳定。这两种因素都会在埋藏的钙钛矿-基底界面处产生形态、成分或电子缺陷，从而限制光伏性能和稳定性。在大多数情况下，HTL降低了钙钛矿吸收层的辐射效率，增加了整体的非辐射复合损失，因此需要HTL来支持高质量的钙钛矿沉积，并且在埋藏界面处具有低密度的纳米空隙和深层次的电子缺陷。

MPA-CPA的化学结构如图1A所示。该两亲分子具有亲水的CPA锚定基团和疏水的甲氧基取代三苯胺(MPA)孔萃取基团。PTAA只能溶解在低极性溶剂中，如甲苯和氯苯，而MPA-CPA可以溶解在高极性和低极性溶剂中，包括水、

N,

图1

图2

除了改善钙钛矿的沉积和界面接触外，在两亲性覆层中设计的CPA基团可以钝化埋藏界面区域和钙钛矿体中的缺陷。通过第一性原理电子结构计算，研究了MPA-CPA对钙钛矿颗粒表面产生的典型深层缺陷[如间隙铅(Pbi)和碘化铅反位(PbI)缺陷]的钝化效果。Pbi和PbI都在带隙内诱导了作为非辐射重组中心的深度缺陷态(图3)。然而，随着MPA-CPA分子的引入，Pbi和PbI缺陷态被有效钝化并移动到价带或导带内部或带边缘附近(图3B)。磷酸(Pb-O')基团的Pb和O之间以及氰基(Pb-N')基团的Pb和N之间形成了新的化学键(图3A)，补充了Pb的局部八面体化学环境，与2PACz中磷酸基团的钝化机制一致。

计算得到的Pb-N'键长(2.47 ?)略短于实验测得的Pb-N键长(约2.58-2.75 ?)，而Pb-O'键长(2.68 ?)在实验测得范围内(约2.484-2.914 ?)。Pb与N′、Pb与O′之间存在化学键，这也与计算得到的电子定位函数结果一致(图3C)。与单一基团(如2PACz中的膦酸)的钝化相比，两种键产生的协同钝化效应增加了钝化位点的热力学稳定性，在钝化深层次缺陷态时更有效。实验结果表明，钙钛矿膜在MPA-CPA上埋藏界面处的非辐射复合减少，使得半堆的PLQYs达到了17%。

图3

J-

V)曲线如图4A所示，其平均性能参数将在下文进一步讨论。基于PTA的器件的PCE为22.6%，

VOC为1.13 V，FF为81.7% (表1)。基于2PACz的器件的PCE高达23.4%，这主要是由于

VOC增加了1.17 V。然而，MPA-CPA最优化器件的PCE为25.2%，

VOC高达1.20 eV (带隙为1.56 eV)， FF高达84.5%，短路电流密度(

JSC)为24.8 mA·cm-2。该装置在扫描速度为10 mV·s-1的情况下，正反

J-

J-

V曲线和PLQY值。

表1

在最大功率点(MPP)附近测量的稳定输出功率，施加电压为1.07 V，在300秒内稳定的PCE为24.7%，没有衰减。图中显示了基于MPA-CPA的最优化器件的外量子效率(EQE)谱，其集成电流密度为24.3 mA·cm-2，与

J-

VOC =1.21 V，FF = 84.7%，

JSC = 24.8 mA·cm-2)。该值是倒置PSCs的最高PCEs之一。

VOC和FF的同时改善。考虑到PTAA和MPA-CPA在费米能级对准时的能级排列非常相似，性能的提高主要归因于埋藏界面处钙钛矿形态的改善和缺陷钝化的增强。此外，MPA-CPA基PSCs显示出增强的再现性，这可能与HTL的超湿性引起的钙钛矿膜的高度再现性有关。对于基于MPA-CPA的器件，最高

两亲性空穴传输底层有利于钙钛矿前驱体溶液的润湿和扩散，并使制备1 cm2的PSCs成为可能。最优化器件的PCE为23.4%，

VOC为1.19 eV，FF为80.9%，

J-

V特性(图4F)。具有4个子电池的微型模块的PCE达到22.0%，

JSC为6.11 mA·cm-2，

VOC为4.68 V，FF为76.9%。

图4