几十篇N/S，被引11万次，h指数169，这位院士再发《Nature》

01 研究背景

使用金属卤化物钙钛矿（约1.2 eV–3.0 eV）可实现的宽范围带隙已使硅、铜铟镓硒化物（CIGS）和有机光伏串联太阳能电池成为可能。最近，由堆叠的宽带隙（WBG）~1.8 eV和窄带隙（NBG）~1.2 eV层制成的所有钙钛矿串列超过了单结钙钛矿太阳能电池（PSC）的最高记录功率转换效率（PCE）。尽管进展很快，但钙钛矿串列的PCE受到WBG电池的大开路电压（VOC）损耗的限制。虽然单结~1.5 eV PSC已显示出低至0.3V的VOC缺陷（带隙和器件VOC之间的差异），但>1.75 eV的混合碘化物/溴化物PSC仍有VOC缺陷低于0.5V。VOC缺陷被认为是源于Br浓度>20%的钙钛矿中陷阱密度增加、光诱导的卤化物偏析以及与电荷传输层的能量对准不良。一旦与电荷传输层接触，钙钛矿的光致发光量子产率（PLQY）趋于显著降低，这表明钙钛矿/传输层界面在钙钛矿带隙内产生复合路径。为了揭示这种现象的起源，已经报道了几种原因：带错位、能级钉扎、和卤化物从钙钛矿迁移到传输层。

02 研究成果

钙钛矿太阳能电池（PSC）中的开路电压（VOC）缺陷在宽带隙（>1.7 eV）电池中比在~1.5eV钙钛矿中更大。准费米能级分裂（QFLS）测量揭示了VOC限制电子传输层（ETL）接触处的复合。近日，加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授课题组研究发现，这源于不均匀的表面电位和较差的钙钛矿ETL能量排列。常见的单铵表面处理无法解决这一问题；相反，作者引入二铵分子来修饰钙钛矿表面状态，并实现表面电势的更均匀的空间分布。使用1,3-丙烷二铵（PDA），QFLS增加了90 meV，使1.79 eV PSC具有认证的1.33V VOC，功率转换效率（PCE）>19%。将这一层整合到单片全钙钛矿串联中，作者报道了2.19 V（VOC限值的89%）和>27% PCE（26.3%认证准稳态）的记录VOC。这些串列在运行500小时后保持其初始PCE的86%以上。相关研究工作以“Regulating surface potential maximizes voltage in all-perovskite tandems”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。祝贺！

Edward H. Sargent教授是材料学和光子学领域世界著名科学家，他的著作【The Dance of Molecules: How Nanotechnology is Changing Our Lives】于2005年由Penguin出版，目前已被翻译成法文、西班牙文、意大利文、韩文和阿拉伯文。因其在可溶液相处理的半导体太阳能电池和光探测器研究中所做出的贡献，当选Fellow of the AAAS; 因其在胶体量子点光电子器件研究中所作出的贡献，当选Fellow of the IEEE；因其在利用量子限域材料制备全光谱太阳能电池和超灵敏光探测器研究中所做出的贡献，当选加拿大工程院院士。他在Nature和Science等国际顶级期刊发表论文多篇，谷歌学术显示，其论文被引11万余次，h指数169，i10指数690，堪称大师！EdwardH.Sargent教授现任多伦多大学副校长职位，主要负责国际合作。基于其独特的研究工作和开发的技术，他成立了InVisage Technologies（Apple Inc）和Xagenic两家科技公司，致力于红外成像以及基因检测。

03 图文速递

图1. 钙钛矿与ETL的重组：分析及其最小化策略

图2. 表面不均匀性及其表面吸附分子层修复

作者在ITO/NiOx/Me-4PACz结构的ITO/空穴传输层（HTL）衬底上旋涂了WBG钙钛矿Cs0.2FA0.8Pb(I0.6Br0.4)3膜，并测量了其具有和不具有C60 层的PLQY（图1b）。与之前的报道一致，作者发现，在C60沉积之后，PLQY降低了两个数量级，相当于准费米能级分裂（QFLS）中约100 meV的下降。先前的研究集中于降低钙钛矿表面缺陷密度，从而提高膜PLQY的后处理。将这一实践扩展到WBG钙钛矿，发现用常用的钝化剂碘化丁基铵（BA）处理表面会增加PLQY，但在C60沉积后，这种改进并未保留（图1b）。事实上，由于界面复合而不是钙钛矿的固有陷阱密度，堆叠的QFLS很可能被钉扎。为了寻求不同的方法，作者推断，调整钙钛矿/C60界面处的表面电势将通过减少钙钛矿和C60之间的带偏移以及减少界面处的少数载流子的数量来抑制这种跨界面复合。这种效应类似于传统硅太阳能电池中的场效应钝化。因此，作者将重点转向了短链二铵配体、强路易斯碱和表面偶极子，这些配体先前已被证明可诱导n型掺杂，而表面偶极子可改变混合Pb-Sn钙钛矿中的表面能。用1,3-丙烷碘化二铵（PDA）处理钙钛矿表面（图1a），二铵相当于BA，观察到PLQY仅轻微增加。然而，在C60沉积之后，PLQY没有显著下降，这表明由C60诱导的重组途径已被有效抑制。作者还比较了用类似浓度的1,2-乙烷-碘化二铵（EDA）和1,4-丁烷-碘化二铵（BDA）（链长较短和较长的二铵配体）进行钙钛矿后处理的效果。在这些二铵配体中，只有PDA在C60的沉积后导致PLQY的保留。

为了了解这两种处理方式如何影响界面能量学，作者使用了紫外光电子光谱（UPS），并发现BA诱导费米能级降低，而PDA诱导费米能级升高，分别导致更强和较弱的表面p型掺杂（图1c）。表面电势的后一个变化在界面处产生较低的少数载流子浓度，并将钙钛矿和C60之间的带偏移减少了60 meV。漂移扩散模型表明，这有可能将QFLS增加约90 meV。

图3. WBG钙钛矿太阳能电池的表征

图4. 钙钛矿串联太阳能电池的光伏性能和稳定性

作者对对照和PDA处理的装置进行了瞬态光电压和光电流（TPV/C）测量。PDA处理装置的电荷复合寿命（τr）比对照装置长（2.0 µs，比起0.4 µs），与PDA后处理后C60界面处载流子捕获的减少一致。计算扩散长度，作者发现PDA处理导致2倍的增加，从600 nm增加到1.2 µm。作者跟踪了PDA处理的WBG细胞在最大功率点（MPP）下运行700小时的输出，以确定PDA对设备稳定性的影响。在1个太阳光照强度下连续运行700小时后，PDA处理的装置显示PCE没有损失。作者将此归因于PDA处理的膜中显示的离子迁移势垒增加，根据热导纳谱计算。作者使用依赖于强度的PLQY测量对对照和PDA处理的膜进行系统损失分析（图3d）。两个样品具有相似的体积和HTL界面损失，但PDA处理将ETL处的VOC损失从104 mV降低到16 mV。PDA还消除了对照样品中存在的全堆叠QFLS和器件VOC之间的14 mV失配，表明处理后钙钛矿和C60之间的带偏移减少，与图1中的带排列分析一致。除了减少VOC损失外，PDA处理的装置与对照组相比，运输（填充系数）损失减少了3.4%（绝对值），相比8%。这也表明在处理过的界面处有有利的带弯曲，从而改善了载流子提取。

04 结论与展望

作者在环境空气中使用封装串联的MPP跟踪测试了操作稳定性。在最大功率点的AM1.5G 1个太阳光照射下，设备在500小时连续运行后保持了初始PCE的86%。通过二铵表面改性实现的高VOC和PCE相结合的这种有前景的操作稳定性代表了全钙钛矿串联太阳能电池应用的重要一步。

05 文献

文献链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05541-z

文献原文：

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