基于高结合能的修饰剂来实现钙钛矿太阳能电池埋底界面的有效修饰

▲第一作者：共同一作：张博、Jiyeon Oh；

通讯作者：共同通讯作者：陈珊珊副研究员、Changduk Yang教授和李峰教授

通讯单位：重庆大学  

论文DOI：10.1021/acsenergylett.2c02881

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通过设计不同程度氨基取代的胍盐酸盐修饰n-i-p结构的钙钛矿太阳能电池中的埋底界面，通过使用更高结合能的修饰剂获得了最好的修饰效果，最终得到24.4%的光电转换效率。

02
背景介绍

随着钙钛矿太阳能电池的光电转换效率不断提高，研究者们的视线逐渐从结晶改善、表面钝化等方面转移到了钙钛矿埋底界面修饰上，并且基于目前最高光电转换效率对应的器件结构n-i-p型钙钛矿，埋底界面对应的就是电子传输层与钙钛矿之间的界面，那么一般关于埋底界面修饰剂的选择原则较为模糊，基于此，本文便设计了一系列不同程度氨基取代的胍盐酸盐去探究影响埋底界面修饰剂的效果的因素。

03
图文解析

A钙钛矿埋底界面钝化剂的选择问题

在本研究中，我们首先对不同程度氨基取代的胍盐酸盐进行了DFT计算，以便比较计算结果与实际器件性能之间的关系。分析发现，影响器件中埋底界面修饰效果的主要因素为修饰剂与电子传输层氧化锡的结合能。结果表明，修饰剂与氧化锡的结合能的变化趋势与器件的缺陷密度呈负相关性，与器件的光电转换效率表现出正相关性。

▲Figure 1. (a) DFT calculation models of Gua, Agu, Dgu, and Tgu on a SnO2 film. (b) DFT calculation models of Gua, Agu, Dgu, and Tgu on a perovskite film. (c) Corresponding binding energies calculated by DFT. (d) VTFL values of control and AGs-modified devices estimated by SCLC characterizations. (e) Representative J−V curves and (f) PCE statistical data of a control device and AGs-modified devices.

B 影响修饰剂与氧化锡结合能变化的因素

在文中XPS的结果中反映出，本文所设计的修饰剂结构中，被质子化的亚氨基（C=NH2+）在于氧化锡结合过程中起主要做作用。那么本文设计的不同程度氨基取代的胍盐中，随着氨基取代的增加会增加亚氨基的空间位阻，降低其作用能力，但是氨基也可以作为与氧化锡的结合位点，氨基取代的增加会增加作用位点的数目，因此在两种对结合能力相反的影响因素下，结合能随着氨基取代的增加呈现出先增后减的趋势，在氨基胍盐酸盐上获得了最大值。

▲Figure 2. Chemical Structures of Guanidinium Passivators in This Work

C 修饰剂的作用机理

钙钛矿的埋底界面由于其特殊性，作用机理也分为与氧化锡的作用机理和钙钛矿的作用机理，与氧化锡的主要是影响氧化锡的能级，表面的深能级缺陷密度等，对钙钛矿的影响主要是影响了钙钛矿的结晶状态，文中通过XPS、GIWAX、XRD、SEM、AFM、UPS等进行了详细的对比和说明，这里不再赘述。

04
总结与展望

我们开发了一系列新颖的胍基钝化剂，用于调节埋底界面，实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池。通过理论和实验表征的对比，胍基离子中极具极性的亚胺基区域是修复氧化锡上深能级缺陷的关键因素之一；额外的胺基取代基可以提供额外的路易斯碱位点，但会对质子化亚胺基团产生空间位阻，最终降低整体配位强度。因此，在不对称的氨基胍盐酸盐钝化剂中实现了权衡，其在氧化锡上具有优越的结合能4.31 eV。此外，由于疏水性和氢键效应的协同作用，锚定在埋底界面中的氨基胍盐酸盐有助于钙钛矿晶体生长和抑制离子迁移。鉴于较小的缺陷密度、更优秀的能带对齐以及抑制的内部/界面非辐射复合，器件中获得了24.4%的最高光电转换效率，并具有出色的长期稳定性。我们的研究不仅揭示了选择性结合亲和力对分子钝化能力的重要性，还为界面改性提供了一种可行方法，激发了钙钛矿太阳能电池及其他钙钛矿衍生电子器件实际应用中的进一步机理研究。

05
课题组介绍

通讯作者简介

陈珊珊副研究员简介：工学博士，重庆大学能源与动力工程学院副研究员，重庆市青年拔尖人才计划入选者。2018年取得韩国蔚山科学技术院（UNIST）能源工程专业博士学位，2020 年入选重庆市青年拔尖人才计划。主要从事于主要从事有机光电功能材料的设计合成、聚集态结构表征与调控、高效（柔性）器件制备以及构效关系方面的研究。近年来以第一作者/通讯作者在包括 Energy & Environ. Sci.、Joule、Adv. Energy Mater. 等期刊发表论文 20 余篇，累计发表 SCI 论文 80 余篇，论文总引用次数 7000 余次，H 因子达 37，ESI 高被引论文 8 篇，并参与撰写《Handbook of Conducting Polymer》、《Flexible Thermoelectric Polymers and Systems》学术专著两部。

Changduk Yang教授简介：主要从事设计和合成具有独特电子/光学性能的各种功能性共轭材料。这些材料主要将应用于光电子器件。如有机发光二极管（OLED）、有机光伏（OPV）和有机场效应晶体管（OFET）。研究重点在于分子工程以改善器件性能。并且与强大的器件工程和器件结构团队有着紧密的合作关系。

李峰教授简介：博士生导师，2008年和2014年自中国科学技术大学（USTC）分别获得理学学士、工学博士学位，2015年至2021年在韩国蔚山国家科学技术院（UNIST）先后任博士后和研究助理教授，于2021年11月加入复旦大学先进材料实验室。主要从事面向能源分子转化的纳米催化材料研究，并取得了一系列创新成果，已在Nat. Nanotechnol.、Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊上发表高质量学术论文40余篇，引用3000余次，H指数为24。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.2c02881

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