Advanced Science:一石二鸟:极性非共轭小分子界面材料对钙钛矿太阳电池的协同界面电子结构优化

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池是光伏领域一个重要新兴研究方向。由于其优良的自组装特性,有机无机杂化钙钛矿能够通过简单的低温湿法工艺实现大面积的太阳电池组件制备,原材料的丰富低廉和器件效率的飞速发展等进一步使其在未来的商业化应用中呈现出巨大潜力。当前主流器件结构中普遍采用TiO2和SnO2等高温制备的n型半导体材料作为电子传输层,这无疑增加了器件的制造能耗和成本,并限制了柔性器件的构建。而且TiO2等金属氧化物较强的紫外光催化性能是造成器件光照稳定性差的重要原因。因此开发新型室温加工型钙钛矿电池界面修饰材料十分重要。

近期,中国科学院宁波材料技术与工程研究所葛子义课题组研究人员在前期工作(Advanced Materials, 2019, 31, 1903239,Advanced Energy Materials, 2019, 9, 1900248) 的基础上。针对钙钛矿和透明导电玻璃前电极之间的较大的能级差和界面缺陷,研究人员创新性地将课题组前期开发的可室温湿法加工的非共轭小分子界面材料MSAPBS用于透明导电玻璃(TCO)的功函数调控和器件前界面缺陷钝化。该界面材料(厚度小于10 纳米)的引入可控而显著地降低了TCO的功函数和钙钛矿/TCO界面的电子收集势垒,优化后的界面能级对准和能带弯曲实现了高效的电子选择性收集;通过与钙钛矿薄膜表面的化学键合,界面层分子中SO3-和NH3+的存在进一步钝化了钙钛矿/TCO界面的缺陷态,抑制了界面缺陷导致的电荷复合,保证了TCO对电子的高效收集。这一修饰层的双重功能同时显著提升了器件的短路电流密度、开路电压和填充因子,最终实现了效率达20.55%的无金属氧化物电子传输层钙钛矿太阳电池。由于电子收集势垒的消除和界面缺陷的钝化抑制了电荷积累,器件的迟滞效应得到了抑制,稳定性也显著提升。该工作进一步彰显了具有多功能基团的新型多功能界面修饰材料在提升器件光伏性能方面的巨大潜力,加深了对钙钛矿太阳电池基本工作原理的认识,并为柔性器件的实施提供了新的备选方案。

相关研究结果发表于Advanced Science上(DOI: 10.1002/advs.201902656)。上述研究得到了国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划、博士后科研创新人才支持计划等项目资助。