用于高效稳定钙钛矿太阳能电池的卤族-硫族异质结构

CEJ：用于高效稳定钙钛矿太阳能电池的卤族-硫族异质结构

文 章 信 息

用于高效稳定钙钛矿太阳能电池的卤族-硫族异质结构

第一作者：聂日明*

通讯作者：聂日明*，郭万林*

单位：南京航空航天大学

研 究 背 景

有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）的能量转换效率（PCE）经历了快速增长，然而，其商业化受到其固有的较差的长期稳定性的限制。

文 章 简 介

基于此，来南京航空航天大学的郭万林院士团队聂日明教授课题组，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Halide-Chalcogenide Hetero-Structure for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells”的研究文章。该研究文章通过将Bi2S3量子点（QD）掺入2，2'，7，7'-四基-（N，N-二-4-甲氧基苯基氨基）-9，9'-螺二芴（Spiro-OMeTAD）中，在钙钛矿太阳能电池中构建了卤族-硫族异质结构。

卤族-硫族异质结构的构建优化了Spiro-OMeTAD与钙钛矿之间的能级匹配，抑制了α相FAPbI3的分解和δ相FAPbI3的形成，提高了Spiro-OMeTAD的空穴迁移率，降低了缺陷密度，钝化了缺陷状态。0.5 mg/mL Bi2S3量子点制备的卤化硫族异质结构太阳能电池在标准空气质量1.5 global下表现出最高的能量转换效率，为23.31%，湿度稳定性增强。本工作为引入卤族-硫族异质结构以增强钙钛矿太阳能电池的稳定性提供了视角。

Figure 1. Table of contents.

本 文 要 点

要点一：卤族-硫族异质结构（HCHS）的构建和表征

采用一种改进的热注射方法合成了Bi2S3量子点，并将Bi2S3量子点掺入玻璃/钙钛矿/Spiro-OMeTAD样品中的Spiro-OMeTAD中，以构建钙钛矿/Bi2S3量子点的卤族-硫族异质结构，量子点的掺入没有明显改变这些样品的形貌，掺入0.5mg/mL Bi2S3量子点的卤族-硫族异质结构的S 2p高分辨率X射线光电子能谱（XPS）显示了两个金属硫化物峰，证实了Bi2S3量子点的存在。此外，HCHS的构建可以有效降低空穴传输层的最高占据分子轨道能级，这可能是因为与Spiro-OMeTAD相比，Bi2S3量子点的能量能级更低。鉴于空穴传输层的最高占据分子轨道与钙钛矿薄膜的价带之间的能级偏移较大（足以有效驱动空穴提取），降低能级偏移可以减少能量损失并提高VOC，有利于器件性能的提高。

Figure 2. Synthesis of Bi2S3 QDs. a) Bi(OAc)3, oleic acid, and 1-Octadecene were added into the flask. b) Hexamethyldisilathiane and 1-Octadecene were quickly injected to the flask. c) Toluene and methanol were added into the flask.

要点二：卤族-硫族异质结构对器件性能的影响

卤族-硫族异质结构的构建提升了器件的短路电流、开路电压和填充因子，使得效率有了明显提升。卤族-硫族异质结构的构建没有明显改变薄膜的吸光性能，说明器件性能的提升主要是因为电荷转移效率的提升。这一点也可以通过减少的界面电荷复合、降低的荧光光谱强度以及减少的荧光寿命来证实。

Figure 3. a) J–V curves under standard illumination conditions (100 mW cm 2) of AM 1.5 G, b) IPCE spectra, c) UV-Vis absorption spectra, and d) Nyquist plots under the dark condition of perovskite solar cells without and with HCHS prepared by 0, 0.25, 0.50, and 1.00 mg/mL Bi2S3 QDs. e) Steady-state photoluminescence spectra and f)-i) time-resolved photoluminescence spectra of the glass/perovskite films without and with HCHS prepared by 0, 0.25, 0.50, and 1.00 mg/mL Bi2S3 QDs.

要点三：缺陷能级、物理性质、晶体取向

实验证明，不含和含有卤族-硫族异质结构的钙钛矿太阳能电池的缺陷活化能分别是0.16 eV和0.10 eV，表明卤族-硫族异质结构的构建可以浅化缺陷状态。这使得缺陷的能级更接近价带，被缺陷捕获的空穴可以转移到价带，从而提高器件性能。同时，卤族-硫族异质结构的构建减少了分子间的电荷复合，增加了空穴传输层的空穴迁移率，并降低了缺陷的密度。最后，卤族-硫族异质结构的构建使得钙钛矿更垂直于衬底生长，有利于电荷的运输。

Figure 4. a) and b) J–V curves at various temperatures, c) and d) dependence of dark current on temperature, e) dependence of JSC as a function of light intensity of perovskite solar cells without and with HCHS prepared by 0.5 mg/mL Bi2S3 QDs. f) and g) I–V curves in the dark condition obtained for a device of FTO/HTL/Au without and with HCHS prepared by 0.5 mg/mL Bi2S3 QDs (as shown in the inset) and h) and i) I–V curves in the dark condition obtained for a hole-only device of FTO/PEDOT:PSS/perovskite/HTL/Au without and with HCHS prepared by 0.5 mg/mL Bi2S3 QDs (as shown in the inset).

要点四：太阳能电池最高效率和稳定性

含有卤族-硫族异质结构的钙钛矿太阳能电池的短路电流为26.84 mA/cm2，开路电压为1.09 V，填充因子为79.78%，最高效率为23.31%。由于卤族-硫族异质结构可以加速载流子的提取和运输，因此引入卤族-硫族异质结构后，太阳能电池在反向和正向模式下的磁滞现象减少。此外，将未封装的电池在黑暗条件下（约60%相对湿度）储存336小时，不含或含有卤族-硫族异质结构的钙钛矿太阳能电池保留了约58.89%和87.08%的初始能量转换效率，表明卤族-硫族异质结构的构建可以提高湿度稳定性。卤族-硫族异质结构的构建阻碍了钙钛矿的分解，因为Bi2S3量子点是无机金属硫族化物，可以在一定程度上阻止有机空穴传输材料的降解。众所周知，空穴传输材料不仅充当空穴传输层，而且还充当钙钛矿层的覆盖层。空穴传输材料降解的抑制也可以在一定程度上保护钙钛矿层。

Figure 5. a) J–V characteristic under standard illumination conditions (AM 1.5 G, 100 mW cm 2) and b) corresponding external quantum efficiency (EQE) spectrum of the best-performing perovskite solar cell with HCHS prepared by 0.5 mg/mL Bi2S3 QDs. c) Stabilized power output of the best-performing perovskite solar cell with HCHS prepared by 0.5 mg/mL Bi2S3 QDs by maintaining the voltage at maximum power point (0.917 V). d) Histogram of device efficiencies from 41 inpidual cells.

综上所述，通过将Bi2S3量子点引入空穴传输层，构建了钙钛矿太阳能电池中的卤族-硫族异质结构。卤族-硫族异质结构的形成优化了螺-OMeTAD与钙钛矿的能级匹配，减少了δ相FAPbI3和PbI2的量，从而降低了缺陷密度，钝化了缺陷，并减少了电荷复合。卤族-硫族异质结构没有显著改变晶体结构和取向以及应变分布，无论如何，它使钙钛矿更多地垂直于衬底生长。含有0.5 mg/mL Bi2S3量子点的卤族-硫族异质结构的钙钛矿太阳能电池的能量转换效率最高，为23.31%。添加Bi2S3量子点后，这些电池的湿度稳定性也得到了改善。本工为引入卤族-硫族异质结构以增强钙钛矿太阳能电池的器件性能提供了途径。

文 章 链 接

Halide-Chalcogenide Hetero-Structure for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells

Riming Nie,*[a] Zeliang Wei,[a] Aarti Mehta,[b] Lingfeng Chao,[c] Jiaxing Gao,[a] Weicun Chu,[a] Zhongping Li,[d] Han Miao,[e] Yonghua Chen,[c] Wanlin Guo*[a]

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142214

通 讯 作 者 简 介

郭万林院士简介：力学家，中国科学院院士，南京航空航天大学国际前沿科学研究院院长。任国务院学位委员会第八届学科评议组成员、第八届教育部科技委交叉科学与未来技术专门委员会副主任委员、中国力学学会常务理事等。主持国家重点研发计划变革性技术专项、国家自然科学基金重点项目、国家“973计划”课题等。长期从事飞行器安全和智能化方面的力学理论和关键技术研究：建立了飞机结构三维疲劳断裂理论、低维材料结构力-电-磁-热耦合的物理力学理论体系，发现了流-固界面双电层边界运动发电、气流发电和蒸发发电效应，提出水伏效应概念。在Nature Nanotech. 、Nature Commun.、PRL、Adv. Mater.、JACS、Joule、JMPS等刊物发表学术论文500多篇，多次被选为封面，被SCI收录367篇、篇均被引20余次，SCI他引万余次；自2014年起连续入选爱思唯尔中国高被引学者榜单。

聂日明教授简介：南京航空航天大学国际前沿科学研究院教授、博士生导师，国家高层次青年人才、江苏特聘教授，校“长空学者”。在哈尔滨工业大学先后获得学士、硕士和博士学位。随后，在韩国蔚山国立科学技术研究院先后以博士后和研究助理教授身份从事研究工作，合作导师为韩国科学院院士、钙钛矿太阳能电池效率世界纪录保持者Sang Il Seok教授。主要从事钙钛矿太阳能电池、金属硫族-卤族化合物(SbS(e)I、Sn(Pb)2SbS2I3)太阳能电池、光电探测器、X射线探测器等研究。

近年来，以第一/共同通讯作者在Adv. Mater.、JACS、Energy Environ. Sci.、Matter、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等材料、化学领域TOP期刊上发表论文16篇。研究成果被包括国内外多位院士、科睿唯安引文桂冠奖、总统奖章获得者等在内的国内外学者正面引用和评价，多次被PV Magazine、Materials Views China、Inorganic News等专业学术媒体作为亮点报道。作为项目负责人主持了国家高层次青年人才项目、江苏特聘教授人才项目、国家自然科学基金青年基金、中韩青年科学家交流计划、南京留学人员科技创新项目择优资助等项目、作为项目骨干参与了一项“173”领域基金。