香港城市大学研究生(香港城市大学研究生申请专业)

香港城市大学研究生，香港城市大学研究生申请专业

与正式(n-i-p)钙钛矿太阳能电池相比，反式(p-i-n)结构具有更优异的运行稳定性而备受关注。但是，反式钙钛矿太阳能电池的发展仍然受制于其较低的功率转换效率(PCE)。而且，反式钙钛矿太阳能电池的稳定性和使用寿命仍无法达到国际电工委员会对于商业化光伏器件的认定标准(IEC61215:2016)。因此，开发一种简单高效的方法以同时提高反式钙钛矿电池的PCE和长期稳定性对于加速其商业化进程十分关键。

钙钛矿活性层与电荷传输层界面处的缺陷和非理想电荷传输是制约反式钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的关键因素之一，有效的界面层材料选择对于实现高效稳定光伏器件尤为重要。在此前的研究中，有机材料因其灵活性和多功能性被广泛应用为钙钛矿太阳能电池的界面层。但是，有机材料因其较低的导电性和载流子迁移率容易形成界面屏障进而妨碍载流子传输。无机界面层材料因其具有高载流子导电性和稳定性也备受关注，但由于其刚性结构在一定程度上不能很好的与钙钛矿表面紧密结合进而形成相互作用。因此，开发出一种同时结合有机和无机材料特点的界面材料是进一步提升反式钙钛矿太阳能电池性能和稳定性的新思路。

近日，香港城市大学朱宗龙博士联合伦敦帝国理工学院Nicholas J. Long教授设计了一种二茂铁有机金属衍生物(ferrocenyl-bis-thiophene-2-carboxylate(FcTc 2))功能化界面层，大幅度地提高了反式钙钛矿太阳能电池的PCE以及长期稳定性。FcTc 2中的有机官能团有效地钝化了钙钛矿表面上未配位的铅离子引起的缺陷，同时由于二茂铁基团的富电子及其可离域的特性极大限度地提高了钙钛矿界面间的电荷传输速度。通过FcTc 2界面修饰后的器件，其开路电压(V OC)以及填充因子(FF)得到了较大的提升，实验室测试效率达到了反式钙钛矿太阳能电池记录效率25%（认证效率为24.3%）。FcTc 2界面修饰后的器件展现了优异的稳定性，在长期光照1500小时后仍维持在初始效率的98%，在湿热环境下(85℃/85% RH)的稳定性测试通过了IEC61215:2016的国际标准。

相关研究成果以“Organometallic-functionalizedinterfaces for highly efficient inverted perovskite solar cells”为题，发表在《Science》上。香港城市大学化学系助理教授朱宗龙博士以及伦敦帝国理工学院NicholasJ. Long教授为本文通讯作者，香港城市大学博士生李稹，博士后李博，博士生吴鑫为本文的第一作者。

FcTc2与钙钛矿表面形成了Pb-O键，有利于钙钛矿表面的缺陷钝化和提高钙钛矿结构的稳定性

本文采用二茂铁金属有机衍生物(FcTc 2)修饰钙钛矿/C60界面， 飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）证明了FcTc2主要分布在钙钛矿活性层表面，没有进入晶格，从而不影响钙钛矿的结晶及其光学特性。X射线光电子能谱(XPS)数据和密度泛函理论(DFT)模拟计算结果表明，FcTc2与钙钛矿表面有较强的相互作用，FcTc2中的O原子与钙钛矿表面上未配位的铅离子形成牢固的Pb-O键，并显著增强钙钛矿和FcTc2之间的静电吸引力，有利于钙钛矿表面的缺陷钝化和提高钙钛矿结构的稳定性。

图1. FcTc2功能化后的钙钛矿薄膜表征

研究人员通过开尔文探针力显微镜(KPFM)成像发现，FcTc 2处理后的钙钛矿薄膜相比于对照组薄膜具有更均匀的表面接触电位分布(图2A-B），从而更有利于电荷传输以及降低非辐射复合,时间解析光激荧光(TRPL)图谱进一步验证了这一结论。

在混合阳离子卤化物钙钛矿中，其表面的化学成分(例如MA +,I -等)很容易通过光热效应挥发和迁移，进而导致钙钛矿薄膜退化，影响其稳定性。光热诱导共振谱(PFIR)显微镜成像结果显示，经过FcTc 2处理后的钙钛矿薄膜中MA +阳离子的强度和分布在老化1000小时仍然保持良好，而对照组钙钛矿薄膜的MA +信号显著降低和扩散。FcTc 2界面层能有效的抑制钙钛矿表面的离子迁移和挥发，为良好的器件稳定性奠定基础。

图2.钙钛矿薄膜表征

有机金属化合物助力反式钙钛矿太阳能电池效率和稳定性提升，PCE再破记录,高达25%

通过FcTc2修饰后的最高PCE反式器件达到了记录值25%(认证效率24.3%)，其中 VOC：1.184V (1.179V)， JSC: 25.68 mA cm -2(25.59 mA cm -2), FF: 82.32% (80.56%)，平均PCE达到24.5%同时具有良好的可重复性。值得注意的是，FcTc 2界面修饰的钙钛矿器件的光致发光效率达到了7%，由此计算得出因非辐射复合导致的能量损失低至68.75 mV,远小于参比器件的108.57 mV,进一步证明了FcTc 2能有效地抑制钙钛矿太阳能电池的非辐射复合，降低能量损失。

图3.器件性能表征

封装后的FcTc 2基钙钛矿器件在连续光照条件下1500小时后仍能保持原始效率的98%。此外，本工作还依据了了IEC61215:2016国际标准对钙钛矿太阳能电池进行了更加严苛的稳定测试，在双85(85℃/85% RH)条件下，FcTc2基钙钛矿器件在1000小时后仍能保持原始效率的95%，符合IEC61215:2016的湿热环境稳定性的标准。同时，FcTc 2基钙钛矿器件在200次冷热冲击(-40℃-85℃)循环后仍能保持初始效率的85%。

图4.钙钛矿器件稳定测试

作者简介

朱宗龙，香港城市大学助理教授。2010年南京大学本科毕业，2015年毕业于香港科技大学，获得博士学位。2018年6月起任香港城市大学助理教授，主要从事光电功能材料的设计与合成（有机或无机功能材料设计与改性、界面材料调控）及其在光伏器件中应用的相关研究。朱博士目前已在 Science ， Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., Chem. Soc. Rev. J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Joule,Adv. Mater.等各类期刊发表相关工作共发表110余篇，H因子达51。

朱博士课题组主页：

https://zhugroupcityu.wixsite.com/zhugroup

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来源：高分子科学前沿

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