人大慕成课题组《Adv. Sci.》：电子传输层的前驱体工程制备高效钙钛矿太阳能电池

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钙钛矿太阳能电池（PSC）是一种新型太阳能电池，在先进光伏技术领域具有巨大潜力。电子传输层（ETL）是PSC的重要组成部分，在传输电子和阻挡空穴方面起着不可或缺的作用。在平面结构的n-i-p型PSC中，ETL的结构对其相邻钙钛矿层的形态和结晶度具有重要影响。因此，大量研究致力于通过对ETL进行修饰来提高PSC的性能。SnO₂纳米晶体是一种应用广泛的ETL材料，通过对SnO₂ ETL的适当结构修饰可增强ETL/钙钛矿界面接触，增加钙钛矿晶体晶粒尺寸和结晶度，并增加了PSC器件的填充因子（FF）和稳定性。 近期，中国人民大学化学系慕成课题组在《Advanced Science》期刊上发表了题为“Precursor Engineering of the Electron Transport Layer for Application in High-Performance Perovskite Solar Cells”的文章，提出了一种应用钙钛矿前驱体修饰ETL的方案。将钙钛矿前驱体组分：氯化甲铵（MACl）或氯化甲脒（FACl）加入到SnO₂ ETL层中，随后将其与PbI₂反应转化为钙钛矿的晶核。在SnO₂中嵌入钙钛矿晶核并基于此生长的钙钛矿薄膜显示出了显著改善的形貌和结晶度，增加了SnO₂ ETL/钙钛矿层之间的界面接触，提高了载流子迁移率并抑制了电荷复合。基于MACl（FACl）修饰器件的功率转换效率（PCE）从空白器件的20.12%提高至21.87%（21.72%），并显示出较高的填充因子（82%）。林智超博士为本文第一作者和共同通讯作者

图1. a）SnO₂-MACl/FACl薄膜制备过程示意图。b）基于SnO₂-MACl/FACl器件的结构示意图。c）各组分的能级图。d） 沉积在SnO₂-MACl、SnO₂-FACl和未修饰SnO₂ ETL上的钙钛矿薄膜的XRD光谱。

图2.沉积在a）SnO₂-MACl、b）SnO₂-FACl和c）未修饰SnO₂ ETL上的钙钛矿薄膜的SEM图像。基于d）SnO₂-MACl、e）SnO₂-FACl和f）未修饰SnO₂ ETL器件的横截面SEM图像。

图3. a） MACl、FACl、SnO₂-MACl、SnO₂-FACl以及SnO₂样品的红外光谱。b）SnO₂-MACl、SnO₂-FACl和未修饰SnO₂薄膜的XPS光谱，c）SnO₂-MACl、SnO₂-FACl和未修饰SnO₂薄膜的高分辨率Cl 2p XPS光谱，d）SnO₂-MACl、SnO₂-FACl和未修饰SnO₂薄膜的高分辨率Sn 3d XPS光谱。

图4. 基于a）SnO₂-MACl、b）SnO₂-FACl和c）未修饰SnO₂ ETL器件的最佳J–V曲线。d）基于SnO₂-MACl、SnO₂-FACl和未修饰SnO₂ ETL器件的EQE光谱。

图5. 基于SnO₂-MACl、SnO₂-FACl和未修饰SnO₂ ETL器件的（a）开路电压（V_oc）、（b）短路电流（J_sc）、（c）FF和（d）PCE值的统计分布图。（来源于30个PSC的数据）

图6. a）沉积在SnO₂-MACl、SnO₂-FACl和未修饰SnO₂ ETL上的钙钛矿薄膜的稳态光致发光（PL）和b）时间分辨光致发光（TRPL）光谱。c）基于SnO₂-MACl、SnO₂-FACl和未修饰SnO₂ ETL的器件在黑暗条件下获得的奈奎斯特图。d）基于SnO₂-MACl、SnO₂-FACl和未修饰SnO₂ ETL的器件在无封装的情况下表现出长期稳定性性能。

参考文献：

Z. Lin, W. Zhang, Q. Cai, X. Xu, H. Dong. C. Mu, J.-P. Zhang. Precursor Engineering of the Electron Transport Layer for Application in High-Performance Perovskite Solar Cells. Adv. Sci. 2021, 2102845.

相关链接

https://doi.org/10.1002/advs.202102845

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/advs.202102845

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