富勒烯衍生物助力高开路电压锡基钙钛矿太阳能电池

太阳能电池是一项清洁可再生能源利用技术，基于钙钛矿的单节和叠层电池是目前广泛认可的高效低成本新型太阳能电池。但是目前的钙钛矿太阳能电池大多是具有环境污染性的可溶性重金属铅材料体系，尤其在可穿戴器件以及室内和建筑物等人口密集的场所中的应用时环境污染现象尤为突出，因此具有环境友好型的非铅钙钛矿太阳能电池成为了目前的热门研究方向。

锡基钙钛矿具有高吸光系数、高载流子迁移率和理想的带隙等优异性能，具备和铅钙钛矿相似的电子结构以及相媲美的半导体性质。但根据文献报道，锡基钙钛矿太阳能电池的开路电压和光电转换效率较低，目前已知的性能最好的锡钙钛矿太阳能电池开路电压在0.6 V左右、光电转化效率在10%左右，均远低于铅钙钛矿太阳能电池。而这主要由以下三个因素造成：

1. 锡钙钛矿较低的空位形成能导致较多缺陷
2. 二价锡容易被氧化成四价锡造成结构畸变
3. 锡器件的电子传输层能级和锡钙钛矿较浅的能级不匹配

为了解决上述问题，宁志军课题组前期引入低维锡钙钛矿来制备锡钙钛矿太阳能电池，有效提高了钙钛矿的本征稳定性。同时，有机分子包裹钙钛矿有效抑制了钙钛矿和氧气的接触，提高了钙钛矿的抗氧化能力，从而进一步将锡钙钛矿太阳能电池实现了5.9%的光电转化效率。在上述基础上，课题组进一步利用NH4SCN调控锡钙钛矿的结晶动力学过程，最终形成2D-准2D-3D梯度结构的锡钙钛矿薄膜，该薄膜具有高抗氧化性、低薄膜缺陷浓度、高载流子传输速率等优异性能，可实现9.4%的光电转化效率。
在本文工作中，作者提出了全新的研究思路，从器件结构的角度出发，在低维锡基钙钛矿结构和反式太阳能电池结构基础上，设计利用较浅LUMO轨道能级的富勒烯衍生物ICBA作为电子传输层材料，取代常用的富勒烯衍射物PCBM，提高了光照条件下的准费米能级位置，实现了锡钙钛矿和电子传输层之间的能级匹配。同时ICBA抑制了碘离子长程掺杂带来的电子传输层载流子浓度提高，降低了界面的载流子复合，实现了0.94 V的开路电压和12.4%能量转换效率（图1）。通过课题组的工作表明，锡钙钛矿的P型掺杂所带来的界面复合是影响器件开路电压的重要因素，因此，可以通过合理的界面设计，提高锡钙钛矿太阳能电池性能。 近几年来，宁志军课题组通过在材料和器件两个方面的研究，大幅度提高了锡钙钛矿太阳能电池效率，低维锡钙钛矿结构的引入也对锡钙钛矿太阳能电池的发展起到了重要的推动作用，因此，锡钙钛矿太阳能电池在近年也成为了研究热点，是环境友好非铅钙钛矿太阳能电池中效率最高和最有前景的一种。

文章信息

这一成果以“Ultra-high open-circuit voltage of tin perovskite solar cells via an electron transporting layer design”为题发表在Nature Communications上，该论文的第一作者为上海科技大学博士生姜显园和王飞，通讯作者为上海科技大学宁志军教授，苏州纳米所陈立桅研究员和陈棋副研究员为共同作者。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15078-2

本研究采用的是北京卓立汉光仪器有限公司 “ SCS100” 太阳能电池量子效率测试系统，如需了解该产品，欢迎咨询我司。

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