今日Nat. Photonics: 在量子尺寸上调整钙钛矿太阳能电池异质结构

第一作者：Hao Chen

通讯作者：宁志军和Edward H. Sargent

通讯单位：多伦多大学和上海科技大学

今日，上海科技大学宁志军副教授和多伦多大学Edward H. Sargent团队在Nature Photonics上发表了题为“Quantum-size-tuned heterostructures enable efficient and stable inverted perovskite solar cells”的研究论文。这项研究工作报告了一种通过增加2D/3D异质结构中缩小尺寸钙钛矿（RDPs）层宽度的方法来解决2D/3D界面处电子被阻挡的问题。作者发现体积较大的有机物形成2D异质结构的速度较慢，导致RDP更宽，配体设计的微小修饰可以诱导n的优先生长 3个RDP。基于以上结论，作者开发了高效的倒置钙钛矿太阳能电池（PSC）（认证稳态PCE为23.91%）。未封装的器件在室温和约50%相对湿度下运行超过1000小时而不损失PCE。当经受ISOS-L3加速老化时，封装的器件在500小时后仍保留92%的初始PCE。

【主要内容】

缩小尺寸钙钛矿（RDPs）的能量分布可以通过调整其层宽（n）来调整。最近的研究表明，n=1和2的RDPs的二维/三维（2D/3D）异质结构PSC实现了>25%功率转换效率（PCE）。然而2D/3D界面处的电子阻挡使该方法不能转化为倒置的PSC。作者推测减少2D层中的限制可以减少电子阻挡并产生具有优异性能的倒置PSC。作者通过改变2D配体的处理调整2D/3D钙钛矿异质结构中的QW宽度，并依据二维钙钛矿中存在的QW宽度和带隙之间的强烈依赖性，对2D/3D异质结中的量子阱宽度进行表征。这一处理方法是为了改进倒置PSC而定制的，可通过减少2D覆盖层内的限制以减少3D和2D钙钛矿物质之间的电子势垒来实现。这种方法在PSCs器件中的应用实现了高认证效率和高度稳定的PSCs。准二维处理器件在国家可再生能源实验室（NREL）获得认证，基于C60/BCP的器件为倒置PSC获得了23.91%的准稳态认证PCE（FF=83.46，JSC=24.90 mA cm 2和VOC=1.15V）。0.38 V的电压损耗是基于NiOx的PSC的最低记录（来自外部量子效率的带隙）。未封装的室温器件在MPP追踪1000小时后（PCE增加4.9%）没有降解，而在65 烘烤的器件在500小时后损失其最大PCE的约8%。基于线性外推从这些数据，作者估计该器件的T80寿命（即降至初始效率的80%所需的时间）为1190小时。500小时后，加热器件的MPP跟踪暂停，但电池保持在65 的照明下，12小时后恢复MPP跟踪。该器件的PCE恢复到初始PCE的99%，这是实现长期稳定性的重要指标。这一研究对于其他金属卤化物为基础的光电器件具有重要的指导意义。

Fig. 1 | Quasi-2D treatment and its effect on RDP distribution.

Fig. 2 | Comparison of 2D and quasi-2D treatments using different 2D ligands.

Fig. 3 | Formation of quasi-2D perovskite capping layers from density functional theory.

Fig. 4 | Quantifying the conduction band offset of 2D and quasi-2D surface treatments.

Fig. 5 | Carrier extraction and performance of quasi-2D-treated PSCs.

文献信息：Hao Chen, Sam Teale, Bin Chen, et al. Quantum-size-tuned heterostructures enable efficient and stable inverted perovskite solar cells. Nature Photonics, 2022

https:/ / doi.org/10.1038/ s41566-022-00985-1