Advanced Science:表面氟化的氧化钛纳米晶用作电子传输层提高钙钛矿太阳电池的紫外光照稳定性

低温溶液法制备的氧化钛(TiO2)纳米晶因其价格低廉、可用于柔性器件制备等优点,被广泛用作平面正型钙钛矿太阳电池的电子传输层(ETL)。然而,低温TiO2也有诸多不足,如低的电子迁移率、高的电子缺陷态密度和紫外光照下强的光催化活性等,从而导致器件性能降低。为了克服低温氧化钛纳米晶的以上不足,形貌优化、元素掺杂和表面改性等多种方法被广泛使用。特别地,元素掺杂在调控TiO2内在电子和能级结构方面获得成功。然而迄今为止,非金属元素掺杂的低温氧化钛用于钙钛矿太阳电池电子传输层的报道还很少,而且非金属掺杂是否能降低TiO2光催化活性尚不清楚,因此寻找新型非金属元素来掺杂低温TiO2即提高其性能又抑制其光催化活性是非常必要的。

有报道称,在钙钛矿层中掺入F阴离子能有效钝化钙钛矿活性层的阴、阳离子空位缺陷,从而提高钙钛矿太阳电池的效率,增强其热稳定性和环境稳定性。此外,TiO2的光催化活性可能被表面键合的氟离子所抑制。基于此,中国科大杨上峰课题组使用简单的一步低温非水解法原位合成了表面氟化的氧化钛(F-TiO2)纳米晶,且将其用作正型平面异质结钙钛矿太阳电池中的电子传输层,获得22.68%的最高光电转换效率,这是基于低温氧化钛纳米晶 ETL的平面正型钙钛矿太阳电池的最高光电转换效率之一。此外,基于12%-F-TiO2的柔性器件获得了18.26%的光电转换效率,这在文章发表时是基于低温氧化钛纳米晶 ETL的柔性钙钛矿太阳电池的最高效率。一系列表征证明,氟化导致Ti-F键的形成,增加了氧化钛的电子迁移率,降低了其缺陷态密度。且由于F优先键合到锐钛矿TiO2的(001)晶面上,氟化也抑制了氧化钛的光催化活性。此外,键合在氧化钛上的F不仅与钙钛矿形成Pb-F离子键和N-H…F氢键,增强了钙钛矿层与TiO2 ETL的界面结合,还有效地钝化了钙钛矿薄膜表面的缺陷态,从而提高了器件效率。基于此,氟化除了有效提高器件效率外,还增强了钙钛矿太阳电池的环境稳定性和热稳定性。特别地,由于TiO2光催化活性受到抑制,器件的紫外光稳定性也得到提升。这一研究有望为低温制备高效稳定钙钛矿太阳电池提供新思路。相关结果于2021年3月13日在线发表在Advanced Science上。

中国科大化学与材料科学学院博士生胡万培为该论文的第一作者,杨上峰教授为通讯作者。该项研究得到了科技部、国家自然科学基金委的资助。

论文信息:

In-situ Surface Fluorination of TiO2 Nanocrystals Reinforces Interface Binding of Perovskite Layer for Highly Efficient Solar Cells with Dramatically Enhanced Ultraviolet-Light Stability

Wanpei Hu, Zhiling Wen, Xin Yu, Peisen Qian, Weitao Lian, Xingcheng Li, Yanbo Shang, Xiaojun Wu, Tao Chen, Yalin Lu, Mingtai Wang, Shangfeng Yang*

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202004662