高效稳定钙钛矿太阳能电池中由多种化学键协同诱导的自下而上的整体载流子管理策略
有机无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSC)因其低成本和高功率转换效率(PCE)而受到广泛关注,显示出潜在的商业价值。电子传输层(ETL)对实现稳定高效的正置器件起着至关重要的作用。TiO2和SnO2 ETL已广泛应用于常规PSC中。SnO2纳米粒子的团聚会显著降低器件在批次间的重现性,这可能会阻碍其商业应用。此外,SnO2 ETL还存在氧空位(OV)缺陷,表现出较差的载流子提取和传输能力。
除ETL外,高效SnO2基PSC的实现还高度依赖于钙钛矿薄膜的质量。除了ETL和钙钛矿层外,为了最小化界面和体相非辐射复合损失,调节界面是非常重要的。钙钛矿和SnO2薄膜的埋底界面有许多缺陷,这些缺陷会阻碍载流子的提取,导致界面电荷积累和界面非辐射复合。然而,仅通过在钙钛矿薄膜中加入添加剂分子或在埋底界面处引入界面改性剂,很难同时解决上述问题和实现整体载流子管理。
鉴于此,重庆大学陈江照研究员、臧志刚教授及南方科技大学许宗祥副教授等人提出了一种由多种化学键协同诱导的自下而上的整体载流子管理策略,以最大限度地减少高效钙钛矿太阳能器电池的体相和界面能量损失。该策略是通过将含有丰富官能团(-CF3、–NH2–C=NH2+和Cl-)的4-三氟甲基苯甲脒盐酸盐(TBHCl)直接加入到SnO2胶体溶液中来实现的,并且还将仅含有-CF3的三氟甲苯(BTF)和仅含有甲脒阳离子和Cl-阴离子的苯甲脒盐酸盐(BHCl)用作对照分子,以揭示目标分子中每个官能团的功能。
结果表明,F和Cl-均可以通过与Sn4+配位钝化SnO2中的氧空位和/或未配位Sn4+缺陷,但前者比后者更有效。F可以通过与FA+形成氢键来抑制阳离子迁移和调节结晶,并且可以通过与Pb2+配位来钝化铅缺陷。–NH2–C=NH2+和Cl-可分别通过与钙钛矿形成离子键和/或静电相互作用来钝化阳离子和卤素阴离子空位缺陷。总之,目标分子中的各个官能团各司其职,展现了良好的协同作用,从而实现了多键诱导的自下而上的整体载流子管理。
通过TBHCl改性,抑制了SnO2纳米粒子的团聚、钝化了ETL中的氧空位缺陷和钙钛矿薄膜中的缺陷以及释放了钙钛矿膜中的拉伸应变,从而将PCE从21.28%提高到23.40%。结合PEAI钝化,效率进一步提高到23.63%。TBHCl改性器件具有优异的热和湿度稳定性。该工作为开发由多种化学键协同诱导的自下而上的整体载流子管理策略来提升器件的效率和稳定性提供了借鉴,为钙钛矿太阳能电池的商业化应用奠定了坚实的基础。