北大徐東升團隊Adv. Funct. Mater.：用于高效率和穩定平面的Sn基鈣鈦礦太陽能電池的SnO2-CPTA電子輸運層

【引言】

Pb基雜化鈣鈦礦太陽能電池具有優異的功率轉換效率，但鉛元素的毒性限制了大尺度Pb基鈣鈦礦太陽能電池的應用，考慮到環境友好因素，研究者們也在尋找能夠替代鈣鈦礦中的有毒成分鉛，Sn則是一個有力備選——Sn基鈣鈦礦具有和Pb基鈣鈦礦相近的光學和電學性質。然而，Sn基鈣鈦礦在空氣中的穩定性差，阻礙了研究的進一步推進。穩定性低的原因之一是Sn²⁺被氧化成Sn⁴⁺，氧化過程使鈣鈦礦的雜質含量顯著增加，表現為一個金屬導體，從而造成過剩的載流子符合，有時甚至會引發器件短路。為保護Sn基鈣鈦礦，研究人員提出了加入SnF₂，控制還原氣氛，形成2D/3D復合材料或3D孔狀結構等一系列方案。為提高Sn基鈣鈦礦的效率和穩定性，需要介孔TiO₂作為電子優選層。介孔TiO₂的引入使得制備過程更加復雜，且制備過程需要高溫。相比之下，簡化的平面異質結說明平面結構在技術上更加可行。此外，平面鈣鈦礦太陽能電池可在低溫下通過溶液制備，大大降低了制備成本。然而，和介孔型鈣鈦礦太陽能電池相比，平面結構的功率轉換效率特別低，這可能是由于界面間接觸不良和電荷轉移層不合適造成的。

【成果簡介】

對于太陽能電池器件來說，Sn基雜化鈣鈦礦材料因具有環境友好型而備受關注。

近日，北京大學徐東升教授和梁永齊博士（共同通訊作者）在Advanced Functional Materials上發表了題為“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。本文作者發現Sn基鈣鈦礦平面太陽能電池中，極性富勒烯（CPTA）薄層的存在對于效率的提高至關重要。作者將極性富勒烯引入到SnO2和鈣鈦礦之間，得到具有平面n-i-p架構的{en}FASnI₃太陽能電池，其功率轉換系數可達到7.40%，且器件在空氣環境下表現出優異的穩定性。這是在高效Sn基雜化鈣鈦礦太陽能電池中首次獲得n-i-p結構，高達0.72V的開路電壓是目前被報道的FASnI₃太陽能電池最大開路電壓。

【圖文導讀】

圖1：具有平面n-i-p結構的Sn基鈣鈦礦太陽能電池。

(a)器件結構和CPTA分子結構的示意圖；

(b){en}FASnI₃薄膜的XRD圖樣；

(c){en}FASnI₃薄膜的SEM形貌圖像；

(d)完整的太陽能電池的橫截面SEM圖像。

圖2：極性富勒烯功能層的表征。

(a)有/無CPTA層的FTO-SnO2薄膜的拉曼譜；

(b)有/無CPTA層的FTO-SnO2薄膜在Sn 3d層的XPS表征。

圖3：{en}FASnI₃太陽能電池的光電性能。

(a)AM 1.5太陽光照刺激下，有/無CPTA的太陽能電池J-V掃描；

(b)用正反兩種掃描測得的最佳器件的J-V曲線；

(c)在435V偏壓下太陽能電池的穩定光電流輸出；

(d)太陽能電池的EQE曲線:；

(e)48種鈣鈦礦太陽能電池的功率轉換效率直方圖；

(f)太陽能電池不做封裝存放在空氣環境下的設備性能（200min，濕度60%，溫度25^oC）。

圖4：CPTA 對器件電子轉移和光致發光能力的影響。

(a){en}FASnI₃薄膜的光致發光譜；

(b){en}FASnI₃薄膜的時間分辨光致發光譜（激發波長：479nm）；

(c){en}FASnI₃薄膜沉積在FTO/SnO2/CPTA 基質上的光致發光譜測量；

(d)Sn基鈣鈦礦太陽能電池的能帶對準圖。

【小結】

總的來說，該篇文章中作者在對一步法配合的反溶劑進行了系統優化，成功制備了高質量的{en}FASnI₃薄膜。SnO₂作為一種在鉛基鈣鈦礦中經常作為電子轉移層使用的材料，在Sn基鈣鈦礦中的使用存在著問題。在SnO₂薄膜中引入CPTA進行修飾，作為電子優選媒介，從而在具有n-i-p架構的{en}FASnI₃薄膜平面結構中，達到了7.40%的功率轉換效率。此外還得到了{en}FASnI₃薄膜的最高開路電壓0.72V。該工作闡明了{en}FASnI₃薄膜的疑點，證明高效Sn基鈣鈦礦用于太陽能電池的易得性。這有助于建立一個進一步優化和闡釋具體工作機理的有利基礎。

文獻鏈接：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撰寫。