Advanced Energy Materials:准二维钙钛矿太阳能电池:界面电子结构与能量损失

近年来,有机-无机杂化钙钛矿因光电性能优异、制备工艺简单备受关注。基于三维钙钛矿的太阳能电池效率已达到25.2%,接近于硅电池,然而,较差的环境稳定性制约了其商业应用。针对这一问题,采用具有准二维层状结构Ruddlesden-Popper相钙钛矿成为共识的有效手段,通过引入离子半径较大的脂肪族或芳香族烷基铵等有机阳离子,准二维钙钛矿具有良好的疏水性与稳定性,但也伴随激子结合能增大、电荷传输能力下降等新问题。当前对于准二维钙钛矿器件的研究主要集中在结晶、取向调控等方面,以增强钙钛矿薄膜自身的电荷输运,但是对二维钙钛矿与电荷传输层界面的电子结构及电荷传输特性知之甚少,缺乏足够关注。事实上,界面电子结构失配导致的电荷输运受阻、电势损失等是非辐射复合损失的重要来源,这无疑是实现高效率准二维钙钛矿器件的瓶颈。对界面电子结构的精细表征与分析,有助于理解器件界面能量损失机制,指导准二维钙钛矿器件界面设计,提高器件性能。

鉴于此,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光电子能谱原位表征技术(UPS/IPES/XPS),系统研究了维度调控下的(PEA)2(MA)n-1PbnI3n+1(n = 1, 3, 5, 40及∞)钙钛矿与电子传输层[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PCBM)界面电子结构与器件能量损失的构效关系。研究发现,有别于纯二维和三维钙钛矿(n = 1,∞)与PCBM界面形成的传统p-n型异质结,准二维钙钛矿(n = 3, 5, 40)与PCBM界面形成了n-n结,从本质上减少了界面处的空穴浓度,抑制界面复合。深入分析表明n-n结的形成归因于钙钛矿表面分布的多余PEAI配体产生界面偶极,以及电荷再分布,降低了准二维钙钛矿表面的功函数,该界面电势梯度促进光生载流子从钙钛矿晶格传输到钙钛矿与PCBM界面。此外,在空间上表面配体分隔了富电子区(PCBM)和富空穴区(钙钛矿),使电子与空穴复合机率进一步降低。通过界面物性分析与器件性能相结合,本身结晶性较弱的n = 5准二维钙钛矿p-i-n型平面光伏器件因具有更加匹配的界面电子结构,表现出最小的开路电压损失,进一步验证了该界面工作机制。

这项研究为当下作为热点之一的二维钙钛矿及三维/二维异质结结构钙钛矿太阳能电池中的界面电荷传输与能量损失机制提供了深入的理解,相关成果以“Energetics and Energy Loss in 2D Ruddlesden-Popper Perovskite Solar Cells”为题发表于Advanced Energy Materials (DOI:10.1002/aenm.202000687)。