表面缺陷是導致鈣鈦礦太陽能電池效率降低的一個重要原因，有效的表面鈍化是實現(xiàn)高效穩(wěn)定器件的關鍵之一。準二維結(jié)構(gòu)鈣鈦礦和三維結(jié)構(gòu)鈣鈦礦的晶格匹配，同時其具有較高的熱力學穩(wěn)定性，并且制備簡單，是鈣鈦礦表面鈍化的一種常用方法。
目前表面準二維結(jié)構(gòu)的制備一般采用在后處理過程當中加入帶有大分子的鹵素銨鹽，原位形成層狀結(jié)構(gòu)。由于不同層數(shù)結(jié)構(gòu)之間的形成能差距很小，鹵素銨鹽表面處理時鈣鈦礦的層數(shù)無法控制，在薄膜中會出現(xiàn)多種不同層數(shù)的結(jié)構(gòu)。通過調(diào)控大分子和甲脒或者甲胺分子之間的比例可以調(diào)控準二維結(jié)構(gòu)不同層數(shù)的比例，但是仍然無法做到精準控制。由于單層結(jié)構(gòu)較高的帶隙，薄膜表面單層結(jié)構(gòu)過多可能會阻礙載流子傳輸，而多層結(jié)構(gòu)較多可能會降低表面的鈍化效果。因此通過精準調(diào)控準二維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的方法來平衡表面鈍化和電荷傳輸，有可能進一步提升器件的效率。
為了實現(xiàn)對準二維薄膜結(jié)構(gòu)的精準控制，上海科技大學寧志軍教授團隊合成了2-噻吩乙胺硫氰酸鹽 （TEASCN)，用于在Sn-Pb混合鈣鈦礦表面修飾。掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）和X射線衍射（XRD）結(jié)果表明，TEAI對鈣鈦礦后處理形成了單層結(jié)構(gòu)，TEASCN后處理則先形成單層結(jié)構(gòu)并在退火過程中轉(zhuǎn)變?yōu)殡p層結(jié)構(gòu)。 通過密度泛函理論模擬表明，與2-噻吩乙胺碘鹽（TEAI）形成的單層結(jié)構(gòu)不同，基于TEASCN的雙層結(jié)構(gòu)形成能更低，從理論上解釋了雙層結(jié)構(gòu)的形成機制，為避免傳統(tǒng)的碘鹽分子處理帶來的層數(shù)不可控問題提供了一種高效可控的方法。 與單層結(jié)構(gòu)相比，雙層結(jié)構(gòu)在鈍化鈣鈦礦的同時，有效降低了電荷轉(zhuǎn)移勢壘，實現(xiàn)載流子高效輸運。時間分辨熒光光譜（TRPL）和瞬態(tài)光電流（TPV）結(jié)果證明，經(jīng)過TEASCN處理的薄膜與電子傳輸層C60之間有良好的電子輸運。因此，在不犧牲短路電流密度(JSC)的情況下，器件的開路電壓(VOC)和填充因子(FF)都得到了大幅提高，實現(xiàn)了認證效率21.1%。錫鉛混合結(jié)構(gòu)窄帶隙鈣鈦礦是疊層太陽能電池的核心，高效窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池的開發(fā)對于疊層鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展具有重要意義。 該工作合成了TEASCN鹽，并利用該分子實現(xiàn)了準二維結(jié)構(gòu)層數(shù)的精準控制，制備了層數(shù)均勻的雙層結(jié)構(gòu)薄膜，在有效鈍化的同時實現(xiàn)了高效載流子傳輸，為鈣鈦礦太陽能電池器件性能提高提供了新的策略。此外理論計算揭示了雙層結(jié)構(gòu)的形成機制，對準二維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的精準調(diào)控有借鑒意義。 論文信息 Quasi-2D Bilayer Surface Passivation for High Efficiency Narrow Bandgap Perovskite Solar Cells Danni Yu, Qi Wei, Hansheng Li, Junhan Xie, Dr. Xianyuan Jiang, Ting Pan, Hao Wang, Mengling Pan, Dr. Wenjia Zhou, Prof. Weimin Liu, Prof. Philip C. Y. Chow, Prof. Zhijun Ning Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202202346
