氧空位调节的高效电子传输层

注：文末有本文科研思路分析

近几年，基于有机-无机杂化钙钛矿的太阳能电池得到了快速的发展，其光电转化效率从最初的仅有3%发展为如今的25.2%。产生高性能钙钛矿太阳能电池的关键步骤之一是通过电荷传输层(即空穴传输层和电子传输层)控制载流子从钙钛矿活性层到电极的传输。TiO₂是钙钛矿太阳能电池中最常用的电子传输层。其膜层表面形貌以及其与钙钛矿层的界面结构对器件性能有很大的影响。开发一种简单而有效的界面处理方法来紧密连接TiO₂和钙钛矿，实现高效的电子转移是获得高性能钙钛矿太阳能电池的重要因素。

近日，佐治亚理工学院的林志群(Zhiqun Lin)教授课题组、王中林 (Zhong Lin Wang) 教授课题组以及中南民族大学杨应奎教授课题组合作，提出了一种通用且简单的解决方案，通过酸处理的方式在锐钛矿TiO₂层表面形成一层非晶状的TiO₂缓冲层，提高了电子的输运能力。酸处理可以削弱锐钛矿中TiO₆八面体链的连接，缩短交错的八面体链，使锐钛矿TiO₂表面形成非晶状TiO₂缓冲层。EPR和XPS表明，这种非晶状TiO₂缓冲层含有丰富的氧空位。由于氧空位等缺陷的形成，酸处理后的TiO₂电子传输层具有更高的电子密度和电导率。莫特-肖特基研究发现，与未处理的TiO₂ 电子传输层相比，经酸处理的TiO₂层的施主密度增加了一个数量级，电子可有效的从钙钛矿转移到TiO₂膜层上，从而抑制光生电子空穴复合。实验结果显示，以酸处理后的TiO₂ 作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池具有更高的短路电流和光电转换效率。该研究利用一种简单而又非常规的方法来合成高效的电子传输层，这为在钙钛矿太阳能电池中合理设计有效的电子输运层提供了重要的参考。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上。

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Unconventional Route to Oxygen‐Vacancy‐Enabled Highly Efficient Electron Extraction and Transport in Perovskite Solar Cells

Bing Wang, Meng Zhang, Xun Cui, Zewei Wang, Matthew Rager, Yingkui Yang, Zhigang Zou, Zhong Lin Wang, Zhiqun Lin

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201910471

导师介绍

林志群

https://www.x-mol.com/university/faculty/39485

王中林

https://www.x-mol.com/university/faculty/26757

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：TiO₂是钙钛矿太阳能电池中最常用的电子传输层。然而，其纳米尺度的不均匀性(如作为电荷复合中心的晶体边界等)导致光伏效率下降。目前很多研究通过钝化表面缺陷和抑制电荷复合(如二氧化钛的掺杂、利用有机分子优化TiO₂和钙钛矿的界面等手段)来提高TiO₂的电子传输性能。然而，由于TiO₂与钙钛矿的化学结构存在很大的差异，使用无机或有机化合物作为桥接剂可能会减少TiO₂与钙钛矿的相互作用。我们非常希望开发一种简单而有效的界面修饰方法来紧密连接TiO₂和钙钛矿，实现高效的电子转移。

氧空位是决定TiO₂表面和电子性质的关键因素。氧空位可以通过n型掺杂和载流子密度的增加使TiO₂更具导电性，增加光电流。最近，人们发现在传统光阳极表面沉积非晶TiO₂涂层，可以有效地促进电荷传导，从而提高光电流密度。此外，这种非晶TiO₂层已经应用于光催化、光电化学、锂电池等领域。相比之下，在钙钛矿电池中引入无定形层以改进电荷传输提高器件性能的研究却很少。通过本研究也进一步证明，TiO₂非晶缓冲层的引入也可以提高钙钛矿太阳能电池的性能。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该研究中介绍的界面优化方式不仅可以提高TiO₂的电子输运能力，也为制备其他高效的电子传输层（如SnO₂, ZnO等）提供借鉴，并对其他相关领域中关于提高电荷输运能力的研究提供重要思路。