封面故事 · Adv. Energy Mater.设计作品解析 No.6
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本文撰稿：Rena
◯ Hot-Substrate Deposition of Hole- and Electron-Transport Layers for Enhanced Performance in Perovskite Solar Cells. ◯
Advanced Energy Materials
Vol. 8, No. 2
封面设计师：Luke 学术支持：Magon
项目编号：SD20170804f-3
我们这一期的设计封面来源于深圳大学连加荣副教授、美国内布拉斯加大学林肯分校/北卡罗来纳大学教堂山分校黄劲松教授 发表在Advanced Energy Materials上的文章，主要阐述了以热基底法制备载流子传输层的新思路，并向我们展现了其未来的广泛应用领域，包括太阳能电池、发光器件和传感器等。
图1.Advanced Energy Materials封面。
画面当中，基底上存在着许多大小不一、厚度不均匀的小鼓包，使得蓝色的“芝士片”看起来仿佛微波荡漾的湖面和高低起伏的丘陵那样凹凸不平，吃起来总觉得会有甜度不均、质地粗糙等口感上的缺陷……而为了解决这一问题，我们的好帮手，制作工厂里的“小黄人”们就出马了！
他们在“芝士片”的底角四个位置分别用力拉扯着，希望把小鼓包拉低、拉平，像拉面皮一样把手中的材料变得更柔韧、更均匀。从小人们辛苦咬着牙的表情中，我们可以看出，把材料拉平的这一过程真的是十分费力的感觉——不过效果好像很不错，表面平整了许多呢，简直是“强迫症福利”！加油，加油^_^
这一拟人化的动画效果中其实暗藏玄机：首先，钙钛矿薄膜太阳能电池中的载流子传输层（空穴和电子，HTL&ETL）主要起到载流子收集和传输的作用。因此，理想的传输层应具有连续致密的成膜特点，提高开路电压、降低漏电流；鉴于现有传输材料导电性不佳，器件填充因子对厚度敏感，所以又要求传输层应该是厚度较小，且表面平整、厚度均匀的形貌特征。
图2.钙钛矿薄膜太阳能电池的工作原理示意图。
图3.（顶部）标准体异质结（BHJ）器件和（底部）倒置BHJ器件的示意几何图形。 主要组件层被勾画出来。 ETL，电子传输层; HTL，空穴传输层。
然而，现有器件常用的传输层普遍存在厚度不均匀、表面形貌不平整等问题，导致厚度过薄区域漏电流较大和厚度过大区域串联电阻过大，从而导致器件表现为开路电压和填充因子偏低，光电转换效率表现不佳的情况，存在一些缺点。
基于这一现状，文章的研究团队提出了热基底法制备载流子传输层的新思路：运用提高基底温度的方法，从而增大对传输层溶液的浸润性，这样下来所制备的传输层薄膜相对现有的传输层而言，表现为覆盖率增加、薄膜表面更平整以及厚度更均匀的特点，对应器件的开路电压和填充因子都显著提高，且光电转换效率由17%提高到了19.16%。
图4.小人的工作代表提高基底温度方法的作用，可以看到“薄片”（传输层薄膜）的平整程度明显增加。
同时，本方法还具有较强的普适性，可以拓展至任何的溶液成膜工艺，提高薄膜的覆盖率、平整度以及厚度均匀性。
作为一般性结论，BHJ ISC似乎是一种非常有前景的器件结构，其应用领域可能扩展至：溶液法薄膜技术、薄膜光电子器件，包括太阳能电池、发光器件和传感器等，可用于大规模生产有机太阳能电池。除了开发和优化新型活性材料（如新型受体或低带隙聚合物供体）之外，正确优化和选择空穴和电子载流子传输层，对于从设备获得最佳性能起着基础性作用。
往期回顾：
封面故事 · Chemical Science设计作品解析 No.1
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