Advanced Materials Interfaces:空气稳定的n型掺杂界面修饰层助力高效稳定的钙钛矿光伏器件

近年来,金属卤化物钙钛矿光伏电池由于具有材料载流子迁移率高、激子寿命长、光吸收度大、加工性强、可实现优异的光电性能等优势,成为光电领域的明日之星。典型的钙钛矿光伏器件由电子传输层/钙钛矿吸光层/空穴传输层的三明治结构组成。诸多研究表明,钙钛矿薄膜本身的结晶性、以及界面电荷输运性能共同决定了器件的功率转换效率和稳定性。在制备高质量钙钛矿薄膜的同时,提升钙钛矿/电荷传输层异质结界面的能量传递、电荷转移的效率是实现高性能器件的关键。在正置n-i-p结构钙钛矿光伏器件中,最常见的电子传输材料氧化钛(TiO2)存在着诸多缺点,比如表面残余的羟基引起界面处几纳米范围内钙钛矿薄膜的分解,紫外光照下产生大量深能级缺陷导致能量复合损失,以及界面能带的失配等,从而严重影响了器件的效率和稳定性。针对上述问题,一方面,可以寻找新的电子传输材料作为替代,另一方面,通过优化界面修饰来弥补这些缺点,这是一种简单直接的手段。

华东师范大学物理与电子科学学院、极化材料与器件教育部重点实验室保秦烨教授课题组利用紫外光电子能谱原位表征技术,分析比较了钙钛矿异质结界面TiO2/MAPbI3, TiO2/PCBM/MAPbI3, TiO2/DMBI-doped PCBM/MAPbI3电子结构差异,与器件性能之间的关系。研究表明,与广泛使用的TiO2/MAPbI3界面相比,PCBM对TiO2和钙钛矿薄膜MAPbI3实现双重表面缺陷钝化的同时,形成了匹配的界面能级排布,降低了电荷的能量损失。在       TiO2/DMBI-doped PCBM/MAPbI3界面,空气稳定的DMBI n型掺杂PCBM能够进一步构筑较为理想的界面电子输运能级,消除了界面接触电势引起的器件能量损失。DMBI 掺杂在提高PCBM薄膜电子迁移率与电导率的同时,也改善了钙钛矿前驱体溶液在PCBM薄膜上的浸润性,从而增强了钙钛矿薄膜的结晶性,形成了高质量的钙钛矿薄膜。在此基础上,器件的平均功率转换效率由17.46%提升到20.14%,开路电压、短路电流、填充因子、迟滞指数等参数均得到明显改善。由于DMBI掺杂增强了PCBM薄膜疏水性,以及高质量钙钛矿薄膜的形成,钙钛矿光伏器件的稳定性也相应大幅度提高。作为比较,修饰后的未封装器件在空气中存放23天后能够保持70%以上的初始效率,而未修饰器件的效率已降低至不足20%。这项工作为提升钙钛矿光伏电池效率和稳定性提供了一种简单、有效的手段,并且强调了界面电子结构物性分析在钙钛矿光伏器件界面调控中的指导意义。

相关成果以“Interface Engineering of Air-Stable N-Doping Fullerene-Modified TiO2 Electron Transport layer for Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells”为题发表于Advanced Materials Interfaces (DOI:10.1002/admi.201901964)上。论文的第一作者为华东师范大学物理与电子科学学院的本科生王炳杰。