英文原題：Insight into Air Degradation of Inverted Perovskite Solar Cells with different Cathode Interlayers
通訊作者：李楓紅，吉林大學(xué)；黃勁松，牛津大學(xué)高等研究院(蘇州)
作者：Chengzhuo Yu(余成卓), Jialin Yang(楊佳林), Zilong Bing(邴子龍), Yun Hu(胡云), Bao Li(李豹), Jingsong Huang(黃勁松)*，F(xiàn)enghong Li(李楓紅)*
反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（IPVSCs）具有制備工藝簡(jiǎn)單、可低溫成膜、易于實(shí)現(xiàn)柔性化，適合與硅基電池結(jié)合制備疊層電池等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用潛力巨大，受到了國(guó)內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān)注。目前，單結(jié)IPVSCs的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）已超過(guò)25%，展現(xiàn)出巨大的商業(yè)化前景。然而，IPVSCs的穩(wěn)定性不足是制約其商業(yè)化發(fā)展的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。一般高效IPVSCs都使用富勒烯作為電子傳輸層。因?yàn)楦焕障┖徒饘匐姌O能級(jí)不匹配，需要在它們之間引入陰極界面層（CIL）以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)能級(jí)排列、提升電子抽取、降低陰極界面復(fù)合損失的目的。另外一個(gè)好的CIL還應(yīng)該能夠阻擋鈣鈦礦鹵素離子和陰極金屬原子的互相遷移以及水分的滲透。目前由于鈣鈦礦及其器件的降解機(jī)制非常復(fù)雜，人們對(duì)IPVSCs的老化過(guò)程還沒(méi)有很清楚的認(rèn)識(shí)，特別是CIL對(duì)IPVSCs空氣衰減過(guò)程的影響鮮有報(bào)道。
近日，吉林大學(xué)李楓紅團(tuán)隊(duì)和牛津大學(xué)高等研究院(蘇州)黃勁松團(tuán)隊(duì)在JPC Letters上發(fā)表了不同陰極界面層反式鈣鈦礦太陽(yáng)電池空氣衰減的深入洞察。本文重點(diǎn)研究了陰極界面層（BCP或TOASiW12）對(duì)Al或Ag為陰極IPVSCs空氣穩(wěn)定性的影響，探究了器件在空氣衰減過(guò)程中電學(xué)特性和形貌變化。當(dāng)器件暴露空氣后，以BCP/Al為陰極的IPVSCs在激子解離、電子傳輸和抽取方面嚴(yán)重受限，并伴隨著缺陷態(tài)密度的提高和缺陷誘導(dǎo)的嚴(yán)重復(fù)合損失，而且鈣鈦礦層晶體垮塌受損嚴(yán)重，最終導(dǎo)致BCP/Al器件PCE在空氣中2小時(shí)快速衰減至0。相反，以TOASiW12/Al、BCP/Ag和TOASiW12/Ag為陰極IPVSC暴露空氣2天后，器件的電學(xué)特性變化不明顯，鈣鈦礦層晶體保持完好。本工作為IPVSCs的空氣衰減機(jī)理提供了新思路，并促進(jìn)了低成本高效CIL材料的開(kāi)發(fā)。
要點(diǎn)一： 未封裝BCP/Al器件PCE在空氣中2小時(shí)快速衰減至0，而未封裝TOASiW12/Al器件暴露空氣2天后PCE仍能保持初始值的96%。
圖1. 在100 mW cm-2 AM 1.5G光照（a和c）和暗態(tài)條件（b和d）下，未封裝BCP/Al和TOASiW12/Al器件暴露空氣（45%RH）不同時(shí)間的J-V曲線(xiàn)。
要點(diǎn)二：隨時(shí)間衰減的BCP/Al器件在激子分離和載流子收集方面嚴(yán)重受限，同時(shí)內(nèi)建電勢(shì)隨暴露空氣時(shí)間急劇下降。但TOASiW12/Al器件激子分離和載流子收集能力隨暴露時(shí)間變化不大，甚至其內(nèi)建電勢(shì)隨暴露時(shí)間延長(zhǎng)略有提升。
圖2. 未封裝BCP/Al器件和TOASiW12/Al器件暴露空氣（45%RH）不同時(shí)間Jph-Veff曲線(xiàn) （a和c）和C-2-V曲線(xiàn) （b和d）。
要點(diǎn)三：BCP/Al器件在空氣中2小時(shí)內(nèi)缺陷增多，電子遷移率急劇降低；而TOASiW12/Al器件在空氣中2天后變化很小。
圖3. 未封裝BCP/Al（a）和TOASiW12/Al（b）為陰極單電子器件暴露空氣（45%RH）不同時(shí)間J-V曲線(xiàn)。
要點(diǎn)四：BCP/Al器件暴露空氣2小時(shí)后瞬態(tài)光電流（TPC）降至零，而且LED關(guān)閉時(shí)TPC信號(hào)衰減為負(fù)值。這表明嚴(yán)重衰減的BCP/Al器件內(nèi)積累了大量的陷阱電荷，電荷勢(shì)壘的形成屏蔽了內(nèi)建電場(chǎng)并大大降低了電荷提取能力。但TOASiW12/Al器件暴露空氣2天后TPC信號(hào)只有微小變化，說(shuō)明其仍保留高效的電荷提取和輸運(yùn)能力。
圖4. 未封裝BCP/Al和TOASiW12/Al器件暴露空氣（45%RH）不同時(shí)間瞬態(tài)光電流信號(hào)（a和c）。（b）和（d）為BCP/Al器件和TOASiW12/Al器件對(duì)應(yīng)電流衰減（t > 500 μs，LED關(guān)閉）放大區(qū)域。
綜上所述，通過(guò)IPVSCs光照和暗態(tài)J-V曲線(xiàn)、Jph-Veff曲線(xiàn)、C-V曲線(xiàn)和TPC測(cè)量以及單電子器件的暗態(tài)J-V曲線(xiàn)系統(tǒng)地研究了BCP/Al、TOASiW12/Al、BCP/Ag或TOASiW12/Ag器件空氣衰減過(guò)程的電學(xué)特性變化。我們發(fā)現(xiàn)BCP/Ag、TOASiW12/Al和TOASiW12/Ag器件在空氣中2天后仍能保持約96%的初始PCE，而B(niǎo)CP/Al器件在空氣中2小時(shí)后PCE降至零。由于Al和鈣鈦礦在空氣中不良反應(yīng)的發(fā)生，導(dǎo)致BCP/Al器件在激子解離、電荷載流子的傳輸和提取/收集方面劣化嚴(yán)重，而TOASiW12/Al、BCP/Ag和TOASiW12/Ag器件的電學(xué)特性變化不明顯。因此，CIL材料的選擇以及CIL與金屬陰極之間的良好匹配對(duì)IPVSCs的空氣穩(wěn)定性具有重要意義。本工作為IPVSCs的空氣衰減機(jī)理提供了新思路，并促進(jìn)了低成本高效CIL材料的開(kāi)發(fā)。
相關(guān)論文發(fā)表在JPC Letters上，吉林大學(xué)博士研究生余成卓為文章的第一作者，吉林大學(xué)李楓紅教授和牛津大學(xué)高等研究院(蘇州)黃勁松博士為通訊作者。
李楓紅，吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。2005年在德國(guó)德累斯頓工業(yè)大學(xué)獲博士學(xué)位（師從Karl Leo教授）。2005-2009年先后在加拿大多倫多大學(xué)和瑞典林雪平大學(xué)從事博士后研究工作。2010年加入吉林大學(xué)超分子結(jié)構(gòu)與材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究方向包括有機(jī)及鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件物理與化學(xué)、有機(jī)光電器件電極界面修飾和界面物理以及有機(jī)電子傳輸材料的N型摻雜等。目前主要研究興趣為用于有機(jī)及鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的新型可印刷陰極界面材料。已在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., CCS Chem. 等雜志發(fā)表SCI研究論文100余篇，獲授權(quán)美國(guó)發(fā)明專(zhuān)利2項(xiàng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利6項(xiàng)。
黃勁松，牛津大學(xué)高等研究院(蘇州)聯(lián)合首席科學(xué)家，光電技術(shù)研究中心主任及鈣鈦礦薄膜技術(shù)創(chuàng)新中心主任，牛津大學(xué)物理學(xué)院和工程學(xué)院客座研究員，華南理工大學(xué)客座教授。一直專(zhuān)注于有機(jī)半導(dǎo)體材料和器件的研究，特別是新型發(fā)光二極管和光伏器件的研究領(lǐng)域，從基礎(chǔ)性和應(yīng)用性探索，到產(chǎn)業(yè)化前瞻和原型樣品的開(kāi)發(fā)，已發(fā)表50余篇SCI學(xué)術(shù)論文，獲得十余項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利，并促成了部分成果的產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)。
J. Phys. Chem. Lett. ?2024, 15, 105?112
Publication Date: December 26, 2023
https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c03087
? 2023 American Chemical Society
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