苏大王兆奎团队 AM：一举多得！利用分子水平柔性中间层实现高效、柔性的钙钛矿太阳能电池

【背景介绍】

目前，钙钛矿太阳能电池（PSCs）的功率转换效率（PCE）最高可达25.2％。为了获得高性能的器件，大量研究集中在调控钙钛矿的化学成分和优化电荷传输层。同时，还应强调钙钛矿与掩埋基质之间的相关效应。晶体结构不匹配、两侧刚性晶格单元热膨胀不一致，都不利于钙钛矿的微观结构。在分子水平上，钙钛矿材料由于应变积累效应导致相稳定性差，同时不可释放的晶格应力也会加速材料退化。此外，具有固有结构脆性的非均质界面，一旦发生机械变形就易破碎。虽然大量的分子水平夹层被用来修饰基体/钙钛矿异质界面，但是大多数中间层集中于简单地钝化界面陷阱状态。因此，同时满足无应变的外延基底和钙钛矿薄膜在界面处的低陷阱状态，具有重要意义和应用前景。

【成果简介】

近日，苏州大学的王兆奎教授（通讯作者）团队报道了一种利用质子化铵硅烷偶联剂（PASCA-Br）在TiO₂和钙钛矿层的夹层间，形成具有晶格单元结构的成分，从而对两者进行定向的控制。在中间层上侧的枕状烷基溴化铵末端为钙钛矿提供了良好匹配的生长位点，从而减轻了界面应变和晶格畸变。同时，其优异的化学相容性对修复裸露钙钛矿晶体中未配位Pb原子和卤素空位具有理想的效果。此外，PASCA-Br中间层还可以用作机械缓冲层，从而在弯曲时产生较少的钙钛矿裂痕。总之，所开发的分子级柔性中间层为PSCs及其应用提供了一种很有前途的界面工程。研究成果以题为“Perovskite Films with Reduced Interfacial Strains via a Molecular-Level Flexible Interlayer for Photovoltaic Application”发布在国际著名期刊Adv. Mater.上。

【图文解读】

图一、TiO₂/PASCA-Br薄膜的制备与表征
（a）TiO₂和PASCA-Br层的制造过程示意图；

（b-c）TiO₂和TiO₂/PASCA-Br薄膜对Ti 2p和O 1s的XPS光谱；

（d）TiO₂/PASCA-Br和PASCA-Br薄膜的Si 2p的XPS光谱；

（e）APTES和PASCA-Br修饰界面的质子化氨基末端（R-NH₃Br）和晶格结构。

图二、不同基底上钙钛矿薄膜在平面内外上的晶格应变
（a）沉积在TiO₂、TiO₂/APTES和TiO₂/PASCA-Br基底上的钙钛矿薄膜的平面内和平面外GIXRD结果；

（b）钙钛矿薄膜的相应晶体应变在平面内和平面外的方向；

（c）计算的面内和面外晶格应变。

图三、不同基底层上钙钛矿薄膜的性能
（a）界面处钙钛矿晶体的示意图；

（b）从正反面在不同基底层上钙钛矿薄膜的稳态PL强度；

（c）在不同基底层上钙钛矿薄膜的瞬态PL强度；

（d-e）不同基底层上，器件的Mott-Schottky数据和TPC数据。

图四、器件的性能
（a）在黑暗中，仅电子器件的温度相关的J-V曲线；

（b）不同温度下，计算出的µ_e值；

（c）基于不同基底层的tDOS分布；

（d）在FTO基底上，基于TiO₂、TiO₂/APTES和TiO₂/PASCA-Br的器件的J-V曲线；

（e）-dV/dJ与（d）中的(J_SC-J)^-1图；

（f）相应的器件稳定的保存了1个月。

图五、不同条件下钙钛矿薄膜的性能变化
（a）不同基质上，钙钛矿薄膜的顶部SEM形貌；

（b）弯曲实验三遍后，钙钛矿不同膜片的光学图像；

（c）不同的弯曲角度下，PCE的变化；

（d）不同的拉应力下，沉积在不同基底层上钙钛矿薄膜的拉伸应变；

（e）在PEN柔性基板上，基于TiO₂、TiO₂/APTES和TiO₂/PASCA-Br的器件的J-V曲线。

【小结】

综上所述，作者报道了一种PASCA-Br的硅烷偶联剂，将其作为TiO₂和钙钛矿层之间的薄层。首先，枕状烷基溴化铵末端可作为钙钛矿生长的良好匹配生长位点，从而减轻晶格畸变和界面应变。其次，PASCA-Br中的R-NH₃Br末端可与未配位的Pb原子形成牢固的化学键，从而显着降低晶格畸变。最后，PASCA-Br还可以通过改善钙钛矿薄膜的弯曲和拉伸能力而用作机械缓冲层。总之，所开发的方法适用于柔性设备中不同的无机和有机基底层。这种策略为制造高效、无应变的柔性PSCs提供了新思路。

文献链接：Perovskite Films with Reduced Interfacial Strains via a Molecular-Level Flexible Interlayer for Photovoltaic Application（Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202001479）

本文由CQR编译。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu.