陈江照研究员JMCA：多功能有机铵盐改性SnO2纳米粒助力高效稳定钙钛矿太阳能电池

引言

自第一个全固态钙钛矿太阳能电池（PSC）报道以来，PSC的的效率和稳定性都取得了巨大的研究进展。迄今为止，PSC已经实现了高达25.5%的认证记录效率。鉴于单结PSC的理论Shockley–Queisser极限效率超过30%。因此，PSC还有巨大的效率提升空间。此外，PSC差的运行稳定性严重阻碍了其大规模商业化应用。大量研究表明，PSC的体相和界面非辐射复合是PCE和稳定性损失的主要原因。因此，将体相和界面非辐射复合损失最小化来进一步提高功率转换效率（PCE）和长期运行稳定性迫在眉睫。

相比于介孔二氧化钛（TiO₂）基PSC，SnO₂基PSC因其低温制备、低的J-V滞回、和优异的紫外稳定性等优点而获得越来越多的关注。SnO₂基薄膜可通过以下方法制备，如溶胶凝胶法、化学浴沉积、量子点、商业纳米粒等。相比于其他方法，目前商业化纳米粒基PSC显示了更高的PCE。然而，由于商业化SnO₂纳米粒易于团聚而导致其PSC常常拥有差的重复性，这是研究人员赶到困惑并且阻碍了其进一步发展。在过去几年，人们已经开发了各种各样的分子来改性SnO₂纳米粒从而增加器件的PCE和稳定性，如乙二胺四乙酸、NH₄Cl、肝素钾、聚乙二醇等。因此，迫切需要设计与开发更高效的分子来改性SnO₂纳米粒，从而同时提升器件的PCE和稳定性。

除了SnO₂电子传输层，钙钛矿薄膜的质量也是制备高效稳定PSC的关键。迄今为止，各种各样的策略已经被采用来调控钙钛矿结晶和薄膜质量，如钙钛矿组分工程、添加剂分子工程、非化学计量比设计、维度工程、前驱体和反溶剂工程、钙钛矿生长衬底设计等。其中，钙钛矿生长衬底工程在调控钙钛矿结晶方面已经被证明是一种非常有效的方法。除了钙钛矿结晶调控以外，在SnO₂/钙钛矿界面的缺陷与器件稳定性、PCE和J-V迟滞密切相关。人们已经开发了一些界面分子来钝化该界面的缺陷，但是这些界面分子并不能改善钙钛矿的形貌。值得一提的是，人们已经开发了一些界面分子来修饰SnO₂/钙钛矿界面，既能改善钙钛矿的结晶又能钝化界面陷阱态。然而，寻找一种简单而有效的方法来同时实现SnO₂的电学性能的改善、界面缺陷的钝化以及钙钛矿结晶的改善依然是一个巨大的挑战。有趣的是，尤等开发了一种分子改善了SnO₂和钙钛矿薄膜的质量，该方法还改善了界面接触，增加了器件的效率和稳定性。该工作表明寻找一种简单而有效的方法来同时实现SnO₂的电学性能的改善、界面缺陷的钝化以及钙钛矿结晶的改善是行之有效的。因此，迫切需要设计与开发更高效的多功能改性分子来同时提升器件的效率和稳定性。

研究进展

近日，重庆大学陈江照研究员团队在J. Mater. Chem. A上发表了一篇题目为 “Multifunctional organic ammonium salt modified SnO₂ nanoparticles toward efficient and stable planar perovskite solar cells” 的研究文章，报道了一种新型有效的多功能修饰策略，即通过引入具有多个官能团的吉拉尔特试剂T（GRT）分子来修饰SnO₂纳米粒子，从而抑制了SnO₂纳米颗粒的团聚、改善SnO₂薄膜的电学性能、促进钙钛矿晶体的垂直生长、增加了钙钛矿的晶粒尺寸以及钝化了界面缺陷，从而显著降低了体相和界面非辐射复合损耗。结果，器件的开路电压从1.075 V提升到1.146 V。基于GRT改性的器件实现了21.63%的PCE。相比之下，控制器件的PCE仅仅为19.77%。而且，经过GRT改性后器件的稳定性也得到了明显的提升。基于GRT改性的非封装器件在60 ℃老化720小时后保持其初始PCE的99.5%，在一个太阳光照射672小时后保持其初始PCE的58.5%。该研究为设计多功能修饰分子来提升器件的效率和稳定性提供了指导。

图文简介

图1.（a）SnO₂和SnO₂+GRT薄膜上沉积钙钛矿薄膜的制备过程示意图。图中表明GRT能促进SnO₂纳米粒子的均匀分散和钙钛矿晶体的垂直生长；（b） GRT、SnO₂或SnO₂+GRT的水溶液数码照片；（c）SnO₂和SnO₂+GRT薄膜的FTIR光谱；（d） SnO₂和SnO₂+GRT薄膜的XPS光谱；（e）SnO₂和SnO₂+GRT溶液的Zeta电位；（f）SnO₂和（g）SnO₂+GRT溶液不同老化时间的DLS光谱

图2.（a）SnO₂/钙钛矿和SnO₂+GRT/钙钛矿薄膜的UV-vis吸收光谱；（b）SnO₂/钙钛矿和SnO₂+GRT/钙钛矿薄膜的XRD图谱；（c）ITO/ SnO₂/钙钛矿和（d）ITO/ SnO₂+GRT/钙钛矿样品的断面SEM图像；（e）ITO/ SnO₂/钙钛矿/PCBM/BCP/Ag和（f）ITO/ SnO₂+GRT/钙钛矿/PCBM/BCP/Ag结构纯电子器件的暗I-V曲线；（g）glass/钙钛矿和（h）glass/GRT/钙钛矿的荧光mapping图像

图3. 在glass、SnO₂和GRT改性SnO₂衬底上沉积的钙钛矿薄膜的（a）稳态荧光光谱和（b）瞬态荧光光谱；在（c）SnO₂和（d）SnO₂+GRT衬底上制备的钙钛矿薄膜的荧光mapping图；基于 SnO₂和SnO₂+GRT电子传输层的PSCs的（e）瞬态光电流和（f）瞬态光电压衰减曲线；（g） V_OC与光强的函数关系；（h） 基于SnO₂和SnO₂+GRT电子传输层的器件的Nyquist图

图4.（a）控制和目标器件的PCE统计分布图；（b） 冠军器件的J-V曲线；（c）迟滞因子的统计分布图；（d）冠军器件的IPCE光谱；基于（e）SnO₂和（f）SnO₂+GRT的冠军器件的稳态电流密度和PCE输出

图5.（a）器件的湿度稳定性；（b）器件的热稳定性；（c） 器件的光照稳定性

文献链接

Bi, X. Zuo, B. Liu, D. He, L. Bai, W. Wang, X. Li, Z. Xiao, K. Sun, Q. L. Song, Z. Zang and J. Chen Multifunctional organic ammonium salt modified SnO₂ nanoparticles toward efficient and stable planar perovskite solar cells. Journal of Materials Chemistry A, 2021, DOI: 10.1039/D0TA12612H.

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