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燃爆！华东师范大学，再发《Science》！实力铸就辉煌！

2022-02-14 17:08:51 0 584

一、研究背景

钙钛矿太阳能电池在常规(n-i-p)太阳能电池中已达到> 25%的功率转换效率，但对于倒置(p-i-n)太阳能电池，其功率转换效率在22%至23%之间。这种较差性能的来源尚不清楚，但不同的异质结接触可能是根本原因。非辐射复合发生在与载流子传输层的接触处，因此限制PSC性能的是接触异质结，而不是钙钛矿或传输层本身。在规则的PSC中，介孔支架内的钙钛矿本质上比块状钙钛矿更倾向于n型，这诱导了额外的场，以通过接触界面处的能带弯曲来促进电子提取。在倒置的PSCs中，与n型电子传输层直接接触的钙钛矿膜的p型性质诱导效率。因此，在倒置的PSCs中，有必要控制钙钛矿界面处的半导体性质。钙钛矿异质结的接触特性也影响器件的稳定性。在接触界面上，钙钛矿组分以弱化学键组装，如离子键、氢键和范德华相互作用。由此产生的钙钛矿界面的软性质使其容易受到来自周围环境的侵蚀。钙钛矿成分也会扩散并穿透传输层，使异质结和传输层退化，甚至腐蚀电极。许多有机分子可以通过二级键钝化钙钛矿界面，如氢键、配位相互作用或离子键，但这些弱的二级键仍然会导致稳定性问题。

二、研究成果

近日，华东师范大学方俊锋教授课题组通过富铅钙钛矿薄膜的表面硫化，为倒置式太阳能电池构建了稳定的钙钛矿异质结。形成的铅硫键(Pb-S)提升了钙钛矿界面的费米能级，并诱导了额外的电子提取背表面场。所得的反向器件在1.19伏的高开路电压下显示出> 24%的能量转换效率(PCE)，对应于0.36伏的低电压损失。强的铅硫键可以稳定钙钛矿异质结，增强具有相似晶格的钙钛矿结构。表面硫化的器件在85℃老化2200小时或在55±5℃连续光照1000小时下以最大功率点(MPP)运行后，仍保持90%以上的初始PCE。相关研究工作以“Constructing heterojunctions by surface sulfidation for efficient inverted perovskite solar cells”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。华东师范大学物理与电子科学学院李晓冬博士为论文的第一作者。祝贺华东师范大学！

方俊锋，教授，博士生导师，国家中组部青年拔尖人才/中科院百人/中科院特聘研究员/华东师范大学紫江优秀青年学者。在SCI学术期刊发表论文130余篇，SCI他引4000余次,其中以第一/通讯作者在Joule、Sci.Adv.、Nat.Commun.、J.Am.Chem.Soc.、Angew.Chem.Int.Ed.、Adv.Mater.、Adv.Energy.Mater.、Adv.Funct.Mater.、Nano.Lett 、ACS Energy.Lett.等SCI杂志发表论文100余篇，第一和通讯作者论文多次被国际著名学者在Science、Nat.Photonics、Chem.Rev、Chem.Soc.Rev、Acc. Chem. Res.、J.Am.Chem.Soc.、Angew.Chem.Int.Ed.、Adv.Mater.、Energy Environ. Sci.等借鉴、大篇幅详细介绍或专门作为亮点工作点评(超过5行文字专门介绍和评述超过100次)，受邀在国际著名杂Adv.Energy.Mater.和Adv.Sci.撰写综述各1篇，授权PCT专利2项，中国专利10项。已培养博士/硕士研究生30余名，学生多次获得中科院院长奖、国家奖学金等各类奖励。主持国家中组部青年拔尖人才、国家基金面上(5项)、中科院前沿科学重点研发计划、中科院百人计划、中科院特聘研究员计划、浙江省杰青等国家省部级项目10余项。美国和波兰基金函评专家，国家中组部、科技部、教育部和基金委等项目函/会评专家，国家自然科学奖会评评审专家。多次在EMRS、PIERS、中国化学会和材料学会光伏分会做邀请报告，中国激光杂志社青年编委，《表面技术》杂志青年编委。

三、图文速递

图1. SST和钙钛矿形貌

图2. 钙钛矿薄膜的光电特性

在SST方法中(图1A)，作者通过旋涂吡啶-2-羧酸铅(PbPyA₂)形成富铅钙钛矿表面，并用六甲基二硅烷(TMS)硫化，其可与固相PbPyA₂反应。作者使用PbPy A₂是因为其缺陷钝化功能及其在非水溶剂中的高溶解度，这保护了下面的钙钛矿层。X射线光电子能谱(XPS图1B)显示了PbPyA₂沉积后Pb 4f中的加宽峰和增加的峰面积，而I 3d峰减小。沉积TMS后，1s峰出现在162.0和160.8 eV(图1B)。该结果证实了钙钛矿硫化，因为在热退火过程中TMS挥发。Pb 4f峰在具有SST的钙钛矿中向更高的结合能移动了0.3 eV(图1B)，这应该是由S和铅之间的强结合引起的。

扫描电镜下，对照钙钛矿形貌均匀，晶粒和边界明显；图1C)。在富铅钙钛矿中，出现了一些明亮的信号，考虑到PbPyA₂的导电性较差，将其归因于富铅位点。当用TMS进一步处理时，明亮的信号消失，一些新的物种出现，表明富铅钙钛矿硫化。在扫描电镜-能量色散X射线光谱(EDX)中，来自铅元素的信号与来自硫元素的信号重叠，因此作者使用锡基钙钛矿(FASnI₃)代替。在扫描电镜-EDX图谱中，硫元素代表硫化区域，锡元素代表钙钛矿相。约2.4 keV的S元素信号覆盖了整个SEM图像(图1D)，表明均匀硫化。在横截面扫描电镜图像中观察到额外的完整层，EDX作图显示该层富含硫(图1E)。

图3. 太阳能电池的光伏性能

图4. 钙钛矿异质结的稳定性

MPP跟踪下的器件稳定性对PSC很重要，因为光照和外场(负载)会降低软钙钛矿界面的性能。如插图3C所示，PSCs的Cu电极在MPP跟踪后变成黑色，表明严重退化。在MPP跟踪600小时后，只有77.6%的初始PCE保留在控制PSC中。在具有表面温度的PSCs中，铜电极没有观察到明显的变化。在55±5°C的光照下，连续MPP跟踪1000小时后，具有SST的PSC保留了其初始PCE的90.5%(图3C)。在具有SST的PSC中，热稳定性也大大提高，在 85°C 老化 2200 小时后保留了 91.8% 的初始 PCE（图 3D），而对照 PSC 在 1000 小时后仅保留了初始 PCE 的 73.2%。除了提高器件效率外，作者还证明了SST可以有效抑制离子迁移并保护倒置 PSC 中的 PCBM 层，进而提高器件稳定性。

四、结论与展望

在这项研究中，作者提出了一种表面硫化处理(SST)来构建稳定的倒置PSC异质结。SST后，钙钛矿表现出浅费米能级(变得更n型)，这通过能带弯曲在钙钛矿界面诱导额外的背表面场。该场与反向PSC的内置电位方向相同。SST的PSC的PCE > 24%，开路电压(V_oc)为1.1 9伏，相当于甲脒(FA)基钙钛矿系统中0.36伏的低电压损耗(带隙为1.55电子伏)。Pb-S键比Pb-I键强得多；PbS的溶解度积常数（1.0×10^-28）比PbI₂（7.1×10^-9）小19个数量级。S^2-阴离子将在钙钛矿界面与铅离子强烈结合，并抑制降解反应。PbS和钙钛矿之间相似的晶格也应该稳定FA基钙钛矿的晶体结构。在85℃下老化2200小时后，最终的表面硫化处理PSCs保持了91.8%的初始效率。值得注意的是，运行稳定性也得到了极大的提高，在55±5℃的连续光照下，最大功率点跟踪1000小时后，初始PCE保持在90%以上。

五、文章

官网链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl5676

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