华科Adv. Mater.：多功能聚合物调节的SnO2纳米晶用于提高平面钙钛矿太阳能电池的界面接触效率和稳定性

【研究背景】

钙钛矿型太阳能电池（PSCs）由于其高功率转换效率（PCE）（>20%）和简单的溶液制备工艺等，在过去的十年中引起了广泛的研究兴趣。特别地，平面结构的PSCs可以用低温（≤150℃）溶液基工艺制造，这是一种节能且与柔性基板兼容的工艺。随着界面缺陷的出现，钙钛矿层中的离子迁移和陷阱态也被认为是磁滞效应的起源。改善致密TiO₂层的电子性能是提高规则平面PSCs性能的有效方法。同时，开发各种低温可加工电子传输层（ETL）材料，如SnO₂、BaSnO₃、ZnO、富勒烯衍生物等，似乎有利于平面PSCs的发展。

【成果简介】

近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心李雄教授通过改善SnO₂ ETL和钙钛矿层之间的界面接触，提高了平面PSCs的效率和稳定性。引入一种生物聚合物（肝素钾，HP）来调节SnO₂纳米晶的排列，并诱导钙钛矿的垂直定向生长。相应地，基于SnO₂-HP的器件在刚性衬底上的平均效率为23.03%，增强的开路电压（V_OC）为1.162V，并且具有较高的再现性。由于加强了界面结合，器件获得了很高的运行稳定性，在1个太阳光照强度下，在最大功率点运行1000 h后仍保持97%的初始性能（功率转换效率，PCE>22%）。此外，HP改性的SnO₂ ETL在柔性和大面积器件中具有广阔的应用前景。该文章近日以题为“Multifunctional Polymer-Regulated SnO2 Nanocrystals Enhance Interface Contact for Efficient and Stable Planar Perovskite Solar Cells”发表在知名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图一、SnO₂胶体分散体的稳定化及器件制作

（a）分散液中SnO₂纳米晶体的分布，薄膜中SnO₂纳米晶体的排列以及有无HP的SnO₂薄膜上钙钛矿层的晶体生长示意图。

（b）有无HP的新鲜和老化SnO₂胶态分散体的数字图像，以及相应的DLS光谱。

（c）有无HP的SnO₂纳米晶体的TEM图像。

（d）SnO₂和SnO₂-HP薄膜的GIXRD图。

（e-f）沉积在SnO₂和SnO₂-HP薄膜上的钙钛矿层的横截面SEM图像和GIXRD图。

图二、SnO₂与HP的相互作用及其对钙钛矿层的影响

（a）SnO₂、SnO₂-HP和HP薄膜的FTIR光谱，比较了归属于C=O和S=O的信号。

（b）SnO₂和SnO₂-HP膜的XPS光谱，比较了Sn（3d_3/2，3d_5/2）的峰。

（c）SnO₂-HP纳米晶体的TEM元素图分析。

（d-e）ITO、ITO/SnO₂和ITO/SnO₂-HP上钙钛矿层的稳态和TRPL光谱。

图三、基于SnO₂和SnO₂-HP的平面PSCs的器件性能

（a）在反向扫描中测量的基于SnO₂和SnO₂-HP的电池的典型J-V曲线。

（b）基于SnO₂和SnO₂-HP的HP电池的稳态功率输出效率。

（c）基于SnO₂和SnO₂-HP的电池的EQE和积分电流密度谱。

（d）SnO₂和SnO₂-HP电池的PCE直方图。

（e）V_OC对基于SnO₂和SnO₂-HP的平面PSCs的光强度的依赖性。

（f）使用SnO₂和SnO₂-HP作为ETL在ITO/PET上制造的柔性平面PSC进行反向扫描时测得的J-V曲线。

（g）使用SnO₂和SnO₂-HP作为ETL在ITO/PET上制作的柔性平面PSC微型模块的反向扫描测量的J-V曲线。

图四、器件的长时间稳定性

（a）对基于SnO₂和SnO₂-HP的高性能平面PSCs器件在恒定的模拟太阳光照（100 mW cm^-2）条件下(不含紫外截止滤波器)连续跟踪1000小时的最大功率点（MPP）。

（b）以SnO₂和SnO₂-HP为ETL作为弯曲周期函数的柔性平面PSCs的PCE演化。

【结论展望】

综上所述，作者介绍了一种用于稳定SnO₂胶体分散和沉积SnO₂纳米晶有序排列的薄膜的HP生物聚合物。研究发现，这种策略能够通过诱导混合阳离子钙钛矿的垂直定向生长来加强ETL和钙钛矿层之间的界面接触。相应地，基于SnO₂-HP的平面PSCs在刚性基板上的平均效率超过23%，在柔性基板上的平均效率为19.47%。此外，在1个太阳光照强度下，电池在其MPP上的工作稳定性也很高，这为平面PSCs的ETL和界面的改进提供了一种简便易行的方法，使其成为高效、稳定的钙钛矿光电器件。

文献链接：Multifunctional Polymer-Regulated SnO₂ Nanocrystals Enhance Interface Contact for Efficient and Stable Planar Perovskite Solar Cells (Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202003990)

本文由大兵哥供稿。

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