中國科學院化學研究所李永舫/孟磊團隊在高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池研究中取得新進展
鈣鈦礦材料光電性能優異，具有吸收系數高、光電特性可調、雙極性輸送能力優異的特點，同時兼具材料用量少、組件價格低廉、投資成本低的優點，這使鈣鈦礦光伏在應用場景上更有潛力。鈣鈦礦太陽能電池（pero-SCs）作為一種前景廣闊的光伏技術受到了廣泛研究，其中載流子的提取和轉移對器件性能有著至關重要的影響。
在國家自然科學基金委和科技部重點研發計劃的支持下，中國科學院化學研究所有機固體院重點實驗室李永舫/孟磊團隊近年來在鈣鈦礦太陽能電池的研究中不斷取得新的進展。2021年，他們采用基于喹喔啉的D-A共聚物替代傳統Li鹽摻雜的Spiro-OMeTAD,根據喹喔啉單位側鏈的不同，探索側鏈工程對聚合物在鈣鈦礦太陽能電池空穴傳輸層應用中的影響。以PBQ6作為無摻雜空穴傳輸層表現出22.6%的光電轉化效率（PCE），這也是當時無摻雜D-A型共聚物作為空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的最高PCE（Science China-Chemistry. 2021, 64, 11, 2035-2044）。除對電池的空穴傳輸層進行的探索外，他們還對n-i-p型平面結構pero-SCs中SnO2分散納米顆粒制備電子傳輸層進行了一系列探索。將聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA）引入SnO2分散體作為聚合物骨架來阻礙團聚,PEGDA 修飾的SnO2在n-i-p結構pero-SCs中充當電子傳輸層（ETL）。最終，基于α-FAPbI3的pero-SCs的PCE達到23.31%。（ACS Energy Lett. 2021, 6, 11，3824-3830）。但是在SnO2的制備過程中，氧空位(OVs)的產生是實現SnO2自摻雜的關鍵，使其成為n型半導體并提供充足的自由載流子。研究者一直在努力通過提高OVs密度來改善器件性能，然而，過量的表面OVs可能會導致鈣鈦礦埋底界面的不利晶格畸變，并進一步加速塊狀鈣鈦礦的相變和分解。
最近，他們提出了一種局部氧化修飾（LOE）策略，通過在納米SnO2電子傳輸層中添加氧化劑來有效控制和維持SnO2的適當氧化狀態，從而實現精細調控的ETL。他們使用鉻酸銨（(NH4)2CrO4）作為氧化劑，補償多余的OVs，并產生p型半導體Cr2O3超薄層作為局部域的還原產物。形成的Cr2O3/SnO2納米p-n結（圖1）有利于電荷的提取，減少了鈣鈦礦活性層在埋底界面處的非輻射復合。此外，無機鹽的加入調節了SnO2納米晶體的排布，形成了Cr2O3晶域，改善了晶格匹配，從而實現了α-FAPbI3晶體的垂直外延生長。具有Cr2O3/SnO2 ETL的α-FAPbI3基鈣鈦礦太陽能電池實現了25.72%的PCE（認證效率為 25.41%）。在連續 1 個太陽光照下，達到T90>700h的工作穩定性。該研究工作提供了一種新穎的LOE策略，可用于對ETL和pero-SCs的光伏性能進行進一步的實驗和理論研究。
相關研究成果近期發表在Angew. Chem. Int. Ed.2024, 63,e202318621上（網站鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202318621），文章第一作者為博士生劉敏超，通訊作者為孟磊研究員和李永舫研究員。
Cr2O3/SnO2薄膜的電導率、電子傳輸示意圖、能級圖以及平均靜電勢等
有機固體院重點實驗室
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