北大深研院杨世和教授、厦大谢素原院士及南科大郭旭岗教授 JACS：巴基碗对钙钛矿的表面重构实现器件光伏性能的提升

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反式结构钙钛矿太阳能电池因具有良好的稳定性、可忽略的迟滞现象和在叠层电池中的高匹配度等优势而获得广泛的关注，但是其光电转化效率仍然低于正式结构器件。这主要是由于富勒烯和钙钛矿之间的化学作用较弱、能态结构匹配度较差等原因，造成富勒烯电子传输层/钙钛矿层之间界面复合损失较大，从而导致器件的开路电压较低。近年来，钙钛矿层的表面改性已经被证实为一种能够抑制界面复合损失的有效策略。

鉴于此，北京大学深圳研究生院杨世和教授团队联合厦门大学谢素原院士团队及南方科技大学郭旭岗教授团队在《Journal of the American Chemical Society》期刊上发表了题为“Surface Re-Engineering of Perovskites with Buckybowls to Boost the Inverted-Type Photovoltaics”的文章（DOI: 10.1021/jacs.2c05235）。作者设计并合成了一类新型碗烯铵盐分子，并将其引入至钙钛矿太阳能电池中对钙钛矿表面进行重构，大幅降低了富勒烯层/钙钛矿层之间的界面复合损失，从而提升器件的开路电压，最终获得了超过22%的光电转化效率。同时，得益于碗烯分子和碘离子之间存在较强的相互作用，碗烯在钙钛矿表面形成了一层分子屏障，有效地延缓了器件内部的碘离子迁移，从而大幅提升了器件的稳定性。值得一提的是，碗烯铵盐也是目前对钙钛矿表面溶液处理中最大尺寸的π共轭稠环铵盐。

1、功能化的碗烯分子的化学结构及电子性质模拟

碗烯具有独特的碗状结构，可以被视作富勒烯C₆₀的片段结构。作者设计合成了两种功能化的碗烯分子，分别具有芳香胺和烷基胺。通过高斯模拟，作者证明了芳香胺和烷基胺对碗烯的轨道电子云分布、静电势和偶极矩的大小及方向显示出不同的影响，进而影响到两种分子的电子性质。

图1 （a）富勒烯和碗烯的结构示意图；（b）功能化碗烯分子的化学结构；（c）CorA和CorMA分子的轨道电子云分布、静电势和偶极矩。

2、碗烯分子在钙钛矿表面的化学作用情况

鉴于钙钛矿表面存在过量的碘化铅，作者猜测碗烯铵盐分子可以和碘化铅具有较强的相互作用。为了证实这一猜想，作者通过XPS和DFT计算探究了碗烯铵盐分子在钙钛矿表面的化学作用情况和分子取向，证明碗烯铵盐分子的端基和碘化铅之间确实存在相互作用，并且碗烯分子呈垂直取向。这样的分子取向能够最大程度地发挥碗烯的电子受体性质和界面偶极作用，从而增强该界面上的电子提取与传输。

图2 （a-c）不同样品的XPS测试；（d-f）CorA和（g-i）CorMA分子在钙钛矿表面的分子取向。

3、界面电子动力学过程的研究

得益于碗烯的电子受体性质和界面偶极，作者通过瞬态吸收光谱和荧光mapping测试证实电子能够更高效地从钙钛矿层被提取出来，更高效的电荷提取有利于降低该界面上载流子复合所引起的能量损失，进而提升器件的开路电压。

图3 不同样品的（a-f）TAS测试和（g-i）荧光mapping测试

4、器件光伏性能的评估

作者将这一类碗烯铵盐分子制备到钙钛矿太阳能电池中，结果表明器件的开路电压较基础器件而言，确实得到了明显提升，最优器件获得了超过22%的光电转化效率。同时，作为对比，苯铵盐和富勒烯铵盐处理后的器件同样也显示出了开路电压提升的现象，但提升效果不如碗烯铵盐，证明碗烯铵盐对钙钛矿表面的重构是一种提升器件开路电压的有效策略。

图4 （a）器件结构示意图和SEM截面图；不同器件的（b）J-V曲线、（c）EQE曲线、（d）正反扫测试、（e）J_ph-V_eff曲线；（f）开路电压和（g）光电转化效率的统计图；（h）最优器件的J-V曲线和MPP测试。

5、器件稳定性的评估

作者系统地测试了碗烯铵盐优化前后的器件在湿度、光照、高温三种老化条件下的稳定性，发现碗烯铵盐优化后的器件在不同老化条件下的寿命均大幅提升。后续的测试表明，这是由于碗烯和碘离子之间存在较强的相互作用，使得碗烯在钙钛矿表面构筑起一层分子屏障，有效地延缓了器件内部碘离子迁移的现象，从而提升了器件的稳定性。

图5 不同器件在（a）湿度、（b）光照和（c）高温下的稳定性测试。

在该工作中，碗烯首次被作为界面材料引入到钙钛矿太阳能电池中，有效地优化了钙钛矿表面的化学结构、能态结构以及电子动力学过程，进而降低了界面复合损失，是一种提高反式结构器件开路电压的有效策略，显示了碗烯分子在钙钛矿表面改性中的潜力和应用前景。北大深研院杨世和教授团队的博士后邢舟与南方科技大学郭旭岗教授团队的博士后安明伟为本文的共同第一作者，合作方厦门大学谢素原院士和杨世和教授为本文的共同通讯作者。本课题得到了国家自然科学基金、深圳市孔雀团队项目、深港合作研究项目和中国博士后科学基金等项目的支持。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c05235

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