Advanced Energy Materials:多齿配体钝化实现高效钙钛矿太阳能电池

自2009年首次报道以来,有机无机杂化钙钛矿太阳能电池转换效率从最初的3.8%迅速提升到25.2%。钙钛矿薄膜质量是影响钙钛矿太阳能电池的最主要因素之一。溶液法制备钙钛矿薄膜包含高温退火工艺。在高温退火过程中,钙钛矿组分之一的低沸点有机盐容易降解,导致钙钛矿薄膜表面形成卤素空位。另外,在电池制备或者实际工作过程中研究人员经常观测到另一种缺陷-零价铅(Pb0)。这两种缺陷会导致严重的电荷复合,从而降低电池的性能。除此之外,钙钛矿与载流子传输材料之间的能级匹配程度影响着载流子的萃取效率。实验测得钙钛矿的价带(VBM)在5.77 eV 左右。而常用空穴传输材料(spiro-OMeTAD)的最高占据分子轨道(HOMO)在5.2 eV左右。两者之间能级差为0.57 eV。实验表明,多齿配体钝化处理以后,两者之间的能级差降至­­0.17 eV,这将更有利于提高界面处的空穴萃取效率。为了克服以往钝化钙钛矿表面某单一种类的缺陷或者调控钙钛矿/载流子传输材料界面能级的局限性,日本冲绳科学技术大学院大学戚亚冰教授课题组使用了一种含有巯基的多齿配体,该配体能够同时钝化钙钛矿表面的卤素空位缺陷以及零价铅缺陷,与此同时含巯基的多齿配体降低了钙钛矿价带(VBM)与空穴传输材料(spiro-OMeTAD)最高占据分子轨道(HOMO)之间的能级差,提升了界面空穴提取效率。多齿配体钝化后,钙钛矿电池转换效率从19.0% 增加至21.4%。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.201903696)上。这种同时能钝化钙钛矿薄膜表面多种缺陷以及调控界面能级匹配的综合策略为进一步提升钙钛矿太阳能电池效率提供了新思路。

相关工作得到了日本冲绳科学技术大学院大学能源材料与表面科学实验室、the OIST R&D Cluster Research Program, the OIST Proof of Concept (POC) Program以及JSPS KAKENHI Grant Number JP18K05266的资助。