陕师大杨栋&刘生忠Nat. Commun.：EDTA-SnO2作为电子传输层刷新平面钙钛矿电池效率纪录

【引言】

有机-无机杂化钙钛矿由于其优异的光电特性、成本低廉、制备工艺简单、能带连续可调等一系列优势受到了研究者的广泛关注。尤其在太阳能电池领域，短短几年内，钙钛矿电池光电转换效率已经达到23.3%。相比介孔结构的钙钛矿电池，目前平面结构钙钛矿电池的效率依旧偏低，且器件存在明显的迟滞。选择与钙钛矿能级匹配且具有高电子迁移率的电子传输层材料至关重要。SnO₂相比于传统TiO₂电子传输层材料，电子迁移率较高，能级与钙钛矿更匹配，可有效替代TiO₂作为钙钛矿电池的电子传输层。在该研究中，作者采用EDTA与SnO₂的络合物作为平面钙钛矿电池的电子传输层，最终得到的器件光电转换效率高达21.60%，且无明显迟滞。

【成果简介】

近日，陕西师范大学杨栋研究员、刘生忠教授和弗吉尼亚理工大学Shashank Priya教授（共同通讯作者）等人采用EDTA和SnO₂的络合物（E-SnO₂）作为平面钙钛矿电池的电子传输层，器件光电转换效率高达21.60%，美国Newport权威机构认证效率为21.52%，为目前已知平面钙钛矿电池效率之最。同时器件稳定性也有了极大改善。此外，因E-SnO₂可低温制备的优势，将其应用于柔性钙钛矿电池中，器件效率最高为18.28%。研究表明由于钙钛矿层与电子传输层界面处电荷积累的消除，钙钛矿电池器件均无明显迟滞。相关成果以题为“High efficiency planar-type perovskite solar cells with negligible hysteresis using EDTA-complexed SnO₂”发表在Nat. Commun. 上。

【图文导读】

图一 电子传输层表征

(a) EDTA、SnO₂及E-SnO₂薄膜的XPS；
(b) EDTA、SnO₂及E-SnO₂薄膜的FTIR光谱；
(c) EDTA、SnO₂及E-SnO₂薄膜的AFM；
(d) 不同电子传输层与钙钛矿的能带结构示意图；
(e) EDTA、SnO₂及E-SnO₂薄膜的可见光透射光谱；
(f) 由SCLC模型测试得到的不同电子传输层的电子迁移率。

图二 不同基底上的钙钛矿薄膜形貌表征

(a) SnO₂/Perovskite；(b) EDTA/ Perovskite；(c) E-SnO₂/Perovskite；(d) 钙钛矿晶粒尺寸统计分布。

图三 载流子传输研究

(a) ITO/ETL/FA_0.95Cs_0.05PbI₃/PCBM/Ag器件的暗态I-V特征曲线；
(b) 钙钛矿薄膜的稳态PL光谱；
(c) 钙钛矿薄膜的瞬态PL光谱。

图四 钙钛矿电池器件性能表征

(a) 钙钛矿电池器件结构及J-V性能曲线；
(b) 钙钛矿电池的IPCE光谱；
(c) 钙钛矿电池的稳态电流密度及光电转换效率测试；
(d) 钙钛矿电池的效率统计分布。

图五 载流子传输动力学研究

(a) 钙钛矿电池的Voc衰减曲线；
(b, c) 不同光强下测试得到钙钛矿电池的Jsc和Voc；
(d) 钙钛矿电池的EIS图谱。

图六 钙钛矿电池的稳定性及迟滞测试

(a) 未封装钙钛矿电池大气环境下稳定性测试；
(b) 未封装钙钛矿电池在100mW cm^-2光照下稳定性测试；
(c, d) 钙钛矿电池的正反测试的J-V性能曲线。

图七 柔性钙钛矿电池器件性能表征

(a) 柔性钙钛矿电池的J-V性能曲线；
(b) 柔性钙钛矿电池在不同弯曲半径下的光电转换效率；
(c) 柔性钙钛矿电池的IPCE光谱；
(d) 柔性钙钛矿电池的效率统计分布。

【小结】

研究人员使用E-SnO₂作为平面钙钛矿电池的电子传输层，显著改善了钙钛矿薄膜的晶粒尺寸和结晶性，使得器件光电转换效率及稳定性都有了极大提高。此外，将E-SnO₂应用于柔性钙钛矿电池中，器件效率最高可达18.28%。研究表明E-SnO₂作为电子传输层，加快了电子的提取，有效抑制了界面处的电荷累积，进而避免了器件迟滞。该工作为研究制备高性能电子传输层提供了新的思路和方法，有力推动了钙钛矿光伏的发展。

文献链接: High efficiency planar-type perovskite solar cells with negligible hysteresis using EDTA-complexed SnO2（Nat. Commun. 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-05760-x）

【团队介绍】

刘生忠教授和杨栋研究员团队是国内外较早从事钙钛矿光电器件研究的团队之一。团队研发了钙钛矿单晶生长新方法，成功制备了超大尺寸钙钛矿单晶，各方面指标均领先领域先进水平【Adv. Mater. 2015, 27, 5176-5183; Adv. Mater. 2016, 28, 9204-9209; Adv. Opt. Mater. 2016, 4, 1829-1837; Nat. Commun. 2017, 8, 16086; Adv. Sci. 2018, 5, 1700471; Adv. Mater. 2018, 1707314; Mater. Today, 2018, in press】。在平面钙钛矿电池和柔性钙钛矿电池方面，均先后几次报道了领域最高效率 【Adv. Mater. 2016, 28, 5206-5213; Energy Environ. Sci. 2015, 8, 3208-3214; Energy Environ. Sci. 2016, 9, 3071-3078; Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701757.】。特别是采用独特的界面修饰方法和双源共蒸法，平面钙钛矿电池效率超过了20%；发展了优质的TiO2和Nb2O5电子传输层的低温沉积工艺，制备的柔性钙钛矿电池效率达到18.40%。这些成果都达到了同类研究的国际先进水平。

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