AM：量身定制的两亲性分子缓解剂可使钙钛矿太阳能电池效率达23.5％

【引言】

界面缺陷的钝化是实现高效、稳定的钙钛矿太阳能电池（PSC）的有效手段。然而，当前用于减轻此类缺陷的大多数分子调节剂在钙钛矿与电荷收集层的界面处会形成导电不良的聚集体，从而阻碍了光生载流子的提取。本研究引入了一种经过精心设计的钝化剂，即4-叔丁基-苄基碘化铵（tBBAI），其庞大的叔丁基基团可防止由于空间排斥而产生的有害聚集。发现用tBBAI进行简单的表面处理可以显着加速从钙钛矿到螺-OMeTAD空穴传输剂中的电荷提取，同时阻碍了非辐射电荷载流子的重组。这将PSC的功率转换效率（PCE）从大约20％提高到23.5％，从而将磁滞降低到几乎无法检测到的水平。重要的是，tBBAI处理将填充因子从0.75提高到0.82的极高值，这与理想因子从1.72降低到1.34是一致的，证实了无辐射载流子重组的抑制。叔丁基还提供了疏水性保护伞，可保护钙钛矿薄膜免受周围水分的侵蚀。结果，在连续模拟太阳辐射下，在最大功率点跟踪下，全日照500小时后，PSC表现出优异的操作稳定性，可保留其初始PCE的95％以上。

【成果简介】

近日，天津大学的李祥高教授联合洛桑联邦理工大学的yuhang Liu和Michael Grätzel（共同通讯）在Adv. Mater.上发表了一篇题为“Tailored Amphiphilic Molecular Mitigators for Stable Perovskite Solar Cells with 23.5% Efficiency”的文章。在这项工作中，研究人员量身定制了基于碘化苄基铵的缺陷缓解剂，从而使PCE达到23.5％。构思并合成了新型分子钝化剂4-叔丁基-苄基碘化铵（tBBAI）。 tBBAI的庞大叔丁基取代基可防止空间排斥引起的有害聚集。tBBAI表现出出色的钝化能力，这是由于钙钛矿薄膜中光致发光量子产率（PLQY）的提高以及较大的准费米能级分裂（ΔE_F）所致，从而导致高开路电压（VOC）为1.142V。本研究使用的钙钛矿富含碘化物，I：Br = 97：3，光学带隙低至1.55 eV。因此，优化器件的电压损耗约为410 mV，接近辐射极限的90％。这被认为是PSC的最低电压损耗之一。时间分辨光致发光（TRPL）实验表明，具有tBBAI界面层的PSC与控制装置相比，从钙钛矿层到HTL的电荷转移增强，这可能是由于高极化钙钛矿层与高钙钛矿层之间的更好接触而导致空穴提取势垒降低。非极化HTL，导致填充因子（FF）显着改善，比75％改善了82％。另外，具有更多疏水性叔丁基取代基的器件赋予了tBBAI钝化钙钛矿，更好的耐湿性。 这些结果结合起来，高效的介观PSC达到了PCE的23.5％，其中VOC和FF分别高达1.142 V和82.1％。除了出色的PV性能外，tBBAI钝化的PSC在模拟全日照下500 h的PV运行期间仍可保持其初始效率的95％以上。

【图文导读】

图1 PEAI和tBBAI结构及图像

A）PEAI和tBBAI的化学结构；

B）钝化tBBAI的PSC的结构；

C–E）分别为纯钙钛矿膜，PEAI钝化的钙钛矿膜和tBBAI钝化的钙钛矿膜的SEM图像。

图2 钙钛矿光谱图

A）纯钙钛矿、钙钛矿/PEAI和钙钛矿/tBBAI膜的XPS光谱；

B）各种膜的高分辨率去卷积碳1s光谱；

C）钙钛矿/tBBAI膜的3d XPS深度剖面；

D）钙钛矿、钙钛矿/ PEAI和钙钛矿/ tBBAI薄膜的XRD图谱。

图3 样品进行TRPL测量

A）用于层结构玻璃/ FTO / mp Al₂O₃ /钙钛矿/无表面层的TRPL（对照，蓝色），PEAI（红色）和tBBAI（黑色）；

B）含HTL的样品的TRPL测量，不带界面层，带PEAI和带tBBAI。

图4 钙钛矿薄膜具有不同界面层和HTL的外部PLQYext

A）具有HTL的层结构玻璃/ FTO / c-TiO₂ / mp-TiO₂ /钙钛矿/界面层的PLQY；

B）用于层结构玻璃/ FTO /紧凑-TiO₂ /介观-TiO₂ /钙钛矿/界面层/ HTL的稳定的VOC和准费米能级分裂ΔE_F/q，还显示了30分钟的光浸泡后稳定的VOC。

图5 新型钝化剂在太阳能电池中的优势

A）反向PSC的IV曲线；

B）在环境空气下的前330秒内对PSC进行MPP跟踪；

C）PSC的IPCE；

D）光强度的VOC依赖性与理想因子n_id。

图6 通过MPP的PSC获得的运营稳定性数据

A）MPP老化会在惰性气氛（N₂）中，并在1个阳光下连续照射不钝化的PSC，以及用PEAI和tBBAI钝化的PSC；

B）钙钛矿膜表面（对照）和钝化钙钛矿膜表面的水滴图像。

【小结】

本文开发了一种新型表面钝化剂tBBAI。电光特征表明，tBBAI钝化的钙钛矿膜表现出较少的非辐射电荷载流子复合，即较低的缺陷密度，并且显着改善了从钙钛矿膜到HTL的电荷提取。可观察到，与PEAI相比，tBBAI的VOC增加了≈20 mV；与没有钝化的钙钛矿薄膜相比，却使VOC增加了约50 mV。该tBBAI产生了23.5％的PCE，这是迄今为止达到的最高PSC效率之一。此外，与PEAI相比，tBBAI的疏水性增强，从而提高了耐湿性，从而提高了操作稳定性。追踪了500 h MPP后，带有tBBAI的PSC保留了其初始PCE的95％以上，并且在环境湿度为50％至70％的环境空气中老化55天后保留了其初始PCE的90％以上。本工作提供了一种简单而有效的方法来制造具有出色效率和高操作稳定性的高效PSC。

文献链接：Tailored Amphiphilic Molecular Mitigators for Stable Perovskite Solar Cells with 23.5% Efficienc（Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.201907757）

本文由水手供稿。