第一作者：黄浩，崔鹏
通讯作者：李美成
作者单位：华北电力大学
【研究背景】
近年来，钙钛矿太阳电池发展迅速。相对于介孔结构，平面钙钛矿太阳电池具有结构简单、工艺简便、低温制备等优点，在叠层电池和柔性电池方面显示出突出的应用潜力。在平面钙钛矿太阳电池中，作为电子传输层，二氧化钛（TiO2）、二氧化锡和氧化锌因其优异的光电性能受到广泛研究。其中，基于二氧化锡的平面钙钛矿太阳电池已经实现了超过25%的认证效率。然而，对于比氧化锡研究更早、储量更丰富的TiO2材料，相应平面钙钛矿太阳电池的认证效率仍低于24%，远低于肖克利-奎塞尔极限。这种性能差异的原因可能与TiO2薄膜的质量及其与钙钛矿薄膜的界面接触性能有关。因此，为提高TiO2基平面钙钛矿太阳电池效率，精确控制TiO2沉积并调节TiO2/钙钛矿界面性能十分关键。
【工作介绍】
华北电力大学李美成教授团队提出了一种基于配体工程的TiO2沉积策略，通过在TiO2化学水浴前驱液中引入有机配体，控制TiO2的水浴沉积过程，从而实现了有效应用于高性能钙钛矿太阳电池的TiO2电子传输层的制备，获得了24.8%的光电转换效率。
以酒石酸作为配体为例，配体工程沉积策略可以有效抑制TiO2薄膜表面的颗粒团聚，得到致密平整的电子传输层。平整光滑的TiO2表面确保了与钙钛矿薄膜的紧密接触。另外，TiO2薄膜表面附着的酒石酸分子，可以和钙钛矿底端的铅原子成键，从而形成界面交联结构。可靠的界面接触和交联结构有效降低了界面接触电阻，增强了界面电荷传输。我们进一步制备出平面钙钛矿太阳电池，获得了24.8%的光电转换效率，该效率是已报道的TiO2基平面钙钛矿太阳电池效率的最高效率。
该文章发表在知名能源领域期刊Joule上。
图1. 配体工程沉积策略对TiO2表面微观形貌的影响研究。图3. TiO2对钙钛矿薄膜生长影响研究及界面结构研究。图4. TiO2基平面钙钛矿太阳电池光电转化效率表征。图5. TiO2基平面钙钛矿太阳电池界面电荷转移表征。作者提出了一种配体工程沉积策略来精确调节TiO2薄膜及其界面结构，降低了电池的界面接触电阻，增强了界面电荷抽取，TiO2基平面钙钛矿太阳电池达到了24.8%的效率。此外，TiO2基钙钛矿太阳电池的紫外稳定性和湿度稳定性都得到了有效增强。电池放置在环境空气中2000 h，可以保持其初始效率的~95%。在平面钙钛矿太阳电池中，电子传输层不仅仅起到传输电子、阻挡空穴的作用，其作为钙钛矿薄膜的基底，对钙钛矿薄膜和界面性能有着关键影响。因此精细调控电子传输层性能及其界面结构对钙钛矿太阳电池的电子抽取和传输十分重要。在接下来的工作中，李美成团队将从理论和实验表征上进一步研究配体工程沉积策略在电子传输层制备中的应用，以获得更高效的钙钛矿太阳电池，并可将该策略推广应用到其它钙钛矿基光电器件中。Hao Huang, Peng Cui, Yan Chen, Luyao Yan, Xiaopeng Yue, Shujie Qu, Xinxin Wang, Shuxian Du, Benyu Liu, Qiang Zhang, Zhineng Lan, Yingying Yang, Jun Ji, Xing Zhao, Yingfeng Li, Xin Wang, Xunlei Ding, and Meicheng Li*. 24.8%-efficient planar perovskite solar cells via ligand-engineered TiO2 deposition. Joule, 2022, 6, 1-17.李美成，教授、博士生导师，Email: mcli@ncepu.edu.cn研究方向：太阳电池及太阳能综合利用技术；锂/钠离子电池及新型储能技术；微能源及智慧能源系统等。华北电力大学新能源学院院长，“长江学者”特聘教授，国家“万人计划”科技创新领军人才，享受国务院政府特殊津贴，教育部科技委委员，科技部中青年科技创新领军人才，高等学校教学指导委员会委员，首都百名科技领军人才，华北电力大学国家重大科技基础设施办公室常务副主任，国家战略性新兴产业相关专业“新能源材料与器件”带头人。作为通讯作者在Nature Energy、Joule、Advanced Materials等国内外学术期刊发表论文300余篇，多篇文章入选ESI前1%高被引论文。获中国和美国专利授权58项，软件著作权5项，中英文编著8本。以第一完成人获省自然科学一等奖、北京市科技奖等科技奖5项，2019年获“电力科技创新大奖”，2021年获“电力科技成果‘金苹果奖’一等奖”。入选美国斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家2020年榜单。国家科技奖评审专家，IEEE PES能源发展与发电技术委员会副主席、储能材料与器件技术分委会主席，中国可再生能源学会常务理事、光伏专委会副主任。