氧化锡电子传输层原位钝化策略制备高效稳定钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其低制造成本和杰出光伏特性被视为当下最具前途的光伏技术之一。其中，氧化锡作为高效稳定PSCs器件电子传输层的理想材料而引起广泛关注。由于氧化锡自身的n型半导体性质与低温（＜180 ℃）的制备过程，导致其与钙钛矿光吸收层接触的界面处存在大量的氧空位、表面羟基和不饱和悬挂键等缺陷。这些缺陷在载流子传输与提取的过程中作为非辐射复合中心位点，捕获光生载流子，形成深能级陷阱，从而引起PSCs严重的开路电压（V_oc）和填充因子（FF）损失。同时作为反应活性位点与钙钛矿薄膜发生相互作用，引起钙钛矿的分解与相变，降低器件的稳定性。因此，优化氧化锡电子传输层的表面性质，减少界面缺陷对器件性能的影响是提高PSCs光电转换效率和稳定性的重要途径。

图1. 氧化锡电子传输层原位钝化策略示意图与PSCs器件结构示意图

鉴于此，武汉理工大学钟杰（点击查看介绍）团队发表了通过羧酸钾盐对氧化锡电子传输层原位钝化策略实现高效稳定钙钛矿太阳能电池的研究成果。研究表明，通过羧基官能团上氧原子的最外层孤对电子填充锡原子的外层空轨道，羧酸钾盐可以与氧化锡纳米颗粒形成原位结合，在沉积过程中调控氧化锡纳米颗粒之间的聚集，抑制非氧化锡相的形成，从而获得均匀共型沉积的氧化锡薄膜。通过测试证实，经原位钝化的氧化锡薄膜具有与钙钛矿光吸收层更匹配的能带结构，表面缺陷被有效钝化，界面载流子的提取和运输得到优化，同时表面自由能的提高减少了钙钛矿相变的系统自由能变化，有利于钙钛矿薄膜的结晶生长，释放了钙钛矿内部的微观应变。因此，基于原位钝化氧化锡电子传输层的PSCs在0.1475 cm²和10 cm²的有效面积上分别获得了24.91%和20.14%的最高效率。此外，80 ℃的热老化测试条件下器件在600小时后仍能保持初始效率的80%，在最大功率点跟踪条件下器件运行一周后仍保持98%的初始效率，表明了显著的稳定性提升。

通过原位钝化策略沉积氧化锡电子传输层避免了复杂的后处理过程，并可用于PSCs的放大制造，该策略的提出为优化氧化锡的沉积工艺和理想电子传输层的制备提供了新的研究思路，具有较高的实用性。相关研究成果发表于国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室钟杰研究员为论文通讯作者，硕士研究生董维为论文第一作者。

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Low-Cost Hydroxyacid Potassium Synergists as an Efficient In Situ Defect Passivator for High Performance Tin-Oxide-Based Perovskite Solar Cells

Wei Dong, Chenpu Zhu, Cong Bai, Yue Ma, Linfeng Lv, Juan Zhao, Fuzhi Huang, Yi-Bing Cheng and Jie Zhong*

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202302507

导师介绍

钟杰，武汉理工大学复合材料新技术国家重点实验室研究员，博士生导师。主要从事新型光电功能材料合成及薄膜器件制备研究，重点开发可印刷、低成本、高效稳定的钙钛矿太阳能电池及其产业化制备技术。

https://www.x-mol.com/university/faculty/231316