电子科技大学Adv. Funct. Mater.：相分离掺杂方法 “桥连”异质结界面制备高效、稳定的钙钛矿太阳能电池

【引言】

钙钛矿太阳能电池是一种新型的全固态太阳能电池，自2009年首次报道以来得到了飞速发展，其光电转换效率已飙升至25.2%。但金属氧化物电极/电子传输层、电子传输层/钙钛矿层异质结界面在制备过程中将不可避免地产生表面离子空位缺陷，严重影响着钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。虽然通过金属氧化物电极或电子传输层的界面改性、表面掺杂等方式可有效改变其表面功函数、降低缺陷态数量，从而减少其空位缺陷对钙钛矿太阳能电池的影响，但此类方法往往涉及单一界面，不能同时兼顾金属氧化物电极/电子传输层以及电子传输层/钙钛矿界面。因此，如何同时优化金属氧化物/电子传输层以及电子传输层/钙钛矿层界面对钙钛矿太阳能电池具有重要意义。

【成果简介】

近日，电子科技大学贾春阳教授团队报道了一种新型的相分离电子传输层掺杂方式，以此缓解金属氧化物-钙钛矿间异质结界面缺陷对钙钛矿太阳能电池的影响。该研究利用极性CsF n-型掺杂剂掺杂非极性的PC₆₁BM电子传输层，使其在表面能差异以及不同界面相互作用的驱动下实现分子-掺杂剂的原位相分离。结果表明，该方法在金属氧化物-钙钛矿异质间界面实现了更好的能级匹配，同时有效地减少了金属氧化物以及钙钛矿表面缺陷态，使其在能级以及缺陷态上实现了金属氧化物电极与钙钛矿间异质结界面的“桥连”，最终获得了高效、稳定的钙钛矿太阳能电池。

相关研究成果以题为“Vertical Phase Separated Cesium Fluoride Doping Organic Electron Transport Layer: A Facile and Efficient “Bridge” Linked Heterojunction for Perovskite Solar Cells”发表于Advanced Functional Materials (2020, 30, 2001418)，第一作者为团队博士研究生夏建兴，通讯作者为贾春阳教授。

【图文导读】

图1. 相分离结构概述以及界面相互作用模拟

图2. 相分离结构以及界面能级研究

图3. 飞秒超快光谱及荧光光谱研究界面电荷传输特性

图4. 钙钛矿晶体表面缺陷钝化研究

图5. 钙钛矿太阳能电池光伏性能研究

图6. 钙钛矿太阳能电池稳定性研究

【小结】

结果表明，离子性掺杂剂CsF可通过表面能差异以及界面相互作用等驱动力从PC₆₁BM:CsF混合物中实现垂直相分离并累积于金属氧化物电极表面。该掺杂方式有如下特点：1）金属氧化物电极界面累积的CsF与其表面形成Cs-O界面偶极，改善其界面内建电场，有助于载流子抽取；2）PC₆₁BM内部分布的n-型掺杂剂，调制能带结构，减少载流子传输势垒；3）表面遗留的CsF钝化钙钛矿薄膜表面离子缺陷，金属氧化物界面累积的F离子填补其表面氧空位，从而减少异质结接触界面缺陷。通过此掺杂方式可在缺陷态以及能级上“桥连”钙钛矿层和金属氧化物之间的界面，以此降低异质结界面缺陷对钙钛矿太阳能电池的影响。最终基于此相分离掺杂方法制备的最佳钙钛矿太阳能电池获得了20.93%的效率，其在空气中放置60 天后仍保持初始效率的~ 89%。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202001418