Advanced Functional Materials:相分离掺杂方法调控异质结界面,构建高效、稳定的钙钛矿太阳能电池

有机-无机杂化钙钛矿材料以其长的载流子扩散长度、高的吸光系数、较低的激子结合能、可溶液制备流程等优势使其在太阳能电池领域受到广泛关注。经十余年发展,基于此类材料的钙钛矿太阳能电池光电转换效率已超过25%。但在传统的n-i-p器件制备过程中,金属氧化物电极/电子传输层、电子传输层/钙钛矿层等异质结界面易产生离子空位缺陷,严重影响钙钛矿太阳能电池器件的性能与稳定性。虽然通过电子传输层、金属氧化物表面改性或掺杂,可有效调制界面能级结构,减异质结界面缺陷,但报道的方法多为单层异质结界面改性。利用多步多层的界面改性方法虽然可实现多个界面的优化,但同时也增加了制备流程。因此开发简便的多层异质结界面改性方法具有较高的研究意义。

电子科技大学电子科学与工程学院贾春阳教授课题组针对这一问题报道了一种简便的新型相分离电子传输层掺杂方式,通过垂直方向非均匀分布的n-型掺杂剂(CsF)调控界面能带结构,填补界面空位缺陷,以此减少异质结界面缺陷对钙钛矿太阳能电池的不利影响。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202001418)上。

该方法利用极性的CsF n-型掺杂剂掺杂非极性的有机电子传输层(PC61BM),使其在表面能差异以及不同的界面相互作用的驱动下实现掺杂剂-有机分子的相分离,成功构建一种具有上下表面掺杂剂浓度相异的电子传输层掺杂结构。理论与实验研究发现,该掺杂方式有如下特点:1)金属氧化物电极界面累积的CsF与其表面形成Cs-O界面偶极,可通过表面电子转移,改变其功函数,进而改善其界面内建电场,有助于界面载流子传输,减少载流子在其异质结界面缺陷的俘获;2)PC61BM内部浓度相异分布的n-型掺杂剂,调制能带结构,减少载流子传输势垒;3)电子传输层上下表面遗留的CsF通过空位填补的方式分别钝化钙钛矿薄膜表面离子缺陷和金属氧化物表面氧空位,从而减少电子传输层两端的异质结接触界面缺陷。最终,通过此相分离掺杂方式可在缺陷态以及能级上“桥连”钙钛矿层和金属氧化物之间的异质结界面,从而降低异质结界面缺陷对钙钛矿太阳能电池的影响。基于此相分离掺杂方法制备的最佳钙钛矿太阳能电池获得了20.93%的效率,空气中放置60 天后仍保持初始效率的~ 89%。该工作提出了一种非均匀分布的离子掺杂方式,为调控钙钛矿太阳能电池异质结能级、缺陷等提供了新思路。