高效稳定反型钙钛矿太阳能电池器件新进展 | 西安电子科技大学郝跃院士、常晶晶团队新进展

近年来，钙钛矿薄膜材料的研究进行的如火如荼，近期，西安电子科技大学郝跃院士团队常晶晶教授课题组通过采用氟化分子（CF3-PEABr）界面钝化钙钛矿薄膜协同表面活性剂（Triton X-100）掺杂修饰PC61BM实现了高效稳定钙钛矿太阳能电池器件。

相关研究以“Synergistic Interface Layer Optimization and Surface Passivation with Fluorocarbon Molecules toward Efficient and Stable Inverted Planar Perovskite Solar Cells”为题，发表在Research上。

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研究背景

近年来，有机-无机杂化钙钛矿材料由于其光吸收率强，迁移率高，载流子寿命长，带隙可调以及多种方式的加工等优点，在太阳能电池、发光二极管、光电探测、阻变存储器等领域中展现出了巨大的潜力。

尤其在太阳能电池领域，自2009年首次报道以来，基于有机-无机钙钛矿材料的太阳能电池能量转换效率已从3.8%增长到25.5%。

然而，由于有机离子（MA+、FA+等）的存在，其稳定性问题一直是目前光伏器件商业化发展的研究重点。

如何提高钙钛矿薄膜材料的稳定性同时保持优异的光电特性是亟待解决的关键技术问题。

西安电子科技大学郝跃院士团队常晶晶教授课题组通过采用氟化分子（CF3-PEABr）界面钝化钙钛矿薄膜协同表面活性剂（Triton X-100）掺杂修饰PC61BM实现高效稳定钙钛矿太阳能电池器件。

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研究进展

研究表明，通过采用氟化分子（CF3-PEABr）修饰钙钛矿界面形成低维钙钛矿，可以有效地钝化界面缺陷态，提高薄膜结晶质量。

同时三氟甲基基团自组装聚集在钙钛矿薄膜表面，增强钙钛矿薄膜的疏水特性，缓解水氧对于钙钛矿薄膜的侵蚀，提高钙钛矿薄膜的稳定性（图1）。

图1 （A）钙钛矿薄膜的XRD图谱；（B）钙钛矿薄膜的UV/vis图谱；（C）钙钛矿薄膜的表面形貌；（E）器件结构示意图；（F-G）钙钛矿薄膜的XPS图谱

本研究基于密度泛函理论计算不同缺陷结构的态密度、缺陷形成能以及离子迁移能，研究分析CF3-PEABr钝化作用对于钙钛矿微观物理特性的影响（图2）。

图2 CF3-PEABr钝化对钙钛矿缺陷形成能和离子迁移能的理论计算

尽管三氟甲基基团的疏水特性可以提高薄膜稳定性，但也导致PC61BM电子传输层在钙钛矿层上不连续性，影响器件性能。

该工作创新性引入表面活性剂Triton X-100掺杂修饰PC61BM，从而实现在疏水的钙钛矿表面制备连续的电子传输层。

同时由于表面活性剂分别含有疏水的长链和亲水的基团，其末端的羟基可以与钙钛矿薄膜表面的三氟甲基通过氢键或静电作用增强界面接触，实现有效的电荷传输和提取，从而实现高性能的钙钛矿太阳能电池器件。

此外，表面活性剂疏水基团在PC61BM层自组装增强了PC61BM层的疏水特性，提高了电子传输层的薄膜稳定性。

基于氟化分子（CF3-PEABr）界面钝化作用协同表面活性剂（Triton X-100）掺杂修饰，该研究实现基于反型钙钛矿电池器件21.9%的器件效率以及1.15 V的高开路电压，同时表现出良好的器件光稳定性、热稳定性以及长期稳定性。

器件放置在空气下（湿度~35%）1000小时，其器件性能仍能保持初始效率的98%，相比于Control器件，其器件稳定性和薄膜稳定性得到显著提高（图3）。

图3 CF3-PEABr钝化器件电学性能及其稳定性测试

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未来与展望

本研究提出一种有效地氟化剂钝化策略提高薄膜与器件的稳定性，同时引入表面活性剂Triton X-100解决钙钛矿薄膜疏水界面导致电子传输层不连续的难点问题，实现高效率稳定的反型钙钛矿太阳能电池器件。

本研究的钝化策略和表面活性剂掺杂具有良好的普适性，为反型钙钛矿器件效率和稳定性的发展提供一种新思路，有望应用于全印刷钙钛矿太阳能电池的研究。

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作者简介

郝跃，西安电子科技大学教授，中国科学院院士。国际IEEE学会高级会员，中国电子学会常务理事，陕西省科学技术协会副主席，陕西省半导体行业协会理事长。

长期从事新型宽禁带半导体材料和器件、微纳米半导体器件与高可靠集成电路等方面的科学研究与人才培养，在氮化镓∕碳化硅第三代(宽禁带)半导体功能材料和微波器件、半导体短波长光电材料与器件研究和推广、微纳米CMOS器件可靠性与失效机理研究等方面取得了系统的创新成果。

在国内外著名期刊上发表学术论文500余篇；2010年荣获“何梁何利”科学技术奖。

常晶晶，西安电子科技大学教授，国家高层次人才计划入选者，中国科协青年人才托举工程入选者。

近年来主要从事金属氧化物及钙钛矿半导体理论计算、材料可控生长、印刷工艺优化、电子及光电器件制备及系统集成等方面的研究工作。

截止目前，在Science、Joule、Advanced Materials等核心期刊上发表SCI论文160余篇，20多篇文章入选年度热点文章及ESI高被引文章。

主持参与国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目20余项。

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