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站 长 微 信： muyang-0410
通讯单位： of （萨里大学）
研究亮点：
1.当后处理离子化合物都能增强电池性能时， 与钙钛矿产生强相互作用的离子化合物更能够有效抑制界面复合（钙钛矿与电子传输层之间）。
2.在几种有机铵盐中， 2-um (2-TEAI) 无需退火，室温下便能与钙钛矿形成准二维结构。与电子传输层接触时，能够恢复钙钛矿薄膜的荧光量子效率 (PLQY) 和准费米能级分裂（QFLS）。
3.实现poly-TPD 空穴传输层的反式钙钛矿电池最高效率（21.9%, 基于1.63 eV带隙）。
一、反式钙钛矿电池亟待解决的问题
反式（p-i-n）钙钛矿电池由于结构上的优势，在柔性和叠层器件中具有广阔的应用前景。但是对于单节电池来说， 钙钛矿与富勒烯电子传输层之间的非辐射复合仍然是制约性能提升的重要因素，致使其认证的最高效率仍然低于介孔或正型钙钛矿电池。为了解决这个问题，大量的研究通过后处理的方式来“钝化”钙钛矿的表面缺陷。然而，对于某些离子化合物， 它们真正作用的位点可能是钙钛矿与富勒烯电子传输层之间的界面。
二、成果简介
有鉴于此，萨里大学张伟教授团队报道了一种减少反式电池中界面复合的策略，通过直接动态旋涂2- (2-TEAI) 到钙钛矿薄膜上， 无需退火（后续的电子传输层制备也没有退火工艺），与钙钛矿形成准二位结构。与电子传输层接触时离子化合物，能够有效恢复薄膜的荧光量子效率 (PLQY) 和准费米能级分裂（QFLS）。对于1.63 eV带隙钙钛矿太阳能电池（0.09 cm2），获得1.2 V 开压 (稳态开压 1.17 V)，21.9％效率 （稳态效率 21.3 %），并且提升了电池的工作和储存稳定性。
三、结果与讨论
要点1：确定基于poly-TPD 空穴传输层的反式钙钛矿电池界面复合来源
对于界面工程来说，钙钛矿层的相邻界面往往是研究人员优化的重点(一般称为埋底界面和顶层界面)。反式结构底层是空穴传输层(HTL)，研究使用的HTL 是poly-TPD。原因是因为相较于PTAA和NiOx， poly-TPD展现出更好的热稳定和价格优势， 但是缺点是制备过程具有更强的不浸润性。本研究在这里使用2PACz来改善poly-TPD浸润性。PLQY和QFLS的结果表明，使用poly-TPD为HTL时， 其界面的非辐射复合是很少 （图1）。因此， 研究界面复合的重点应该放在钙钛矿与电子传输层之间。
图1. 钙钛矿在有无空穴传输层时的PLQY 和QFLS 数据
要点2：后处理离子化合物的选择
受明星“钝化剂”——PEAI的启发，研究人员选取了两种离子化合物用作后处理，4- (HO-PEAI) 和 2-um (2-TEAI)。从化学结构上看，2-TEAI相当于噻吩基取代了HO-PEAI的苯酚基，二者都对钙钛矿的表面有明显改变（图2）。与HO-PEAI相比，2-TEAI会有助于形成准二维结构，这可能是由于和钙钛矿表面的强相互作用引起的。
图2 HO-PEAI 和 2-TEAI对钙钛矿薄膜性能的影响
为了验证强相互作用的猜想， 研究人员采用理论计算和实验方式来证明（图3）。和HO-PEAI相比，2-TEAI和钙钛矿表面有较低的吸附能， 同时导致更明显的结合能位移， 因此可以认为 2-TEAI和钙钛矿表面会有更强的相互作用。
图3 HO-PEAI 和 2-TEAI和钙钛矿薄膜的相互作用
两种离子化合物都能明显改变钙钛矿薄膜形貌（不改变带隙）， 都能对电池性能提升，但是为什么2-TEAI要更有优势，其原因可能就是由于上述的强相互作用。PLQY 和QFLS的结果表明2-TEAI对钙钛矿薄膜本身没有明显的“钝化”作用（图4），其主要作用在界面上，能抑制钙钛矿和PCBM界面的非辐射复合。
图4 HO-PEAI 和 2-TEAI对钙钛矿薄膜的PLQY 和QFLS 数据
要点3：基于2-TEAI电池性能及其提升原因
上述的光学表征显示强相互作用的离子化合物2-TEAI能更加有效抑制钙钛矿和电子传输层界面的复合，理论上会使器件性能得到明显提升。为了得到更加准确的结论离子化合物，统计样本发现2-TEAI最优电池能达到21.9%的效率且无迟滞，无light （图5）。实际测试时有很快的响应时间， 不受扫描速率的影响（实验所有器件的测量和表征都是在空气中进行且无需封装）。其抑制界面非辐射复合的能力也得到证实， 器件在空气测试时展现很好的LED特性（图6）， 非辐射电压损失 (∆VOC, nrad ) 由0.21 V降到0.11 V。
图5 基于2-TEAI的电池性能
图6 对照和2-TEAI电池的比较
四、小结
2-TEAI是一种高效的离子化合物，有助于提高器件的效率和稳定性。这主要是由于与钙钛矿表面的相互作用更强: 形成准二维结构并重构电子能级。这些特性使2-TEAI主要作用是减少钙钛矿/PCBM界面上的非辐射复合。结果表明，引入后处理化合物的作用不仅仅是表面钝化。本研究将为高效稳定的钙钛矿太阳能电池后处理材料的选择和分子设计提供见解。
五、致谢
本研究由多个团队共同合作完成， 再次感谢中科院物理所（杜世萱教授，李辉教授， 邓俊博士），牛津大学，剑桥大学，谢菲尔德大学，斯旺西大学，多伦多大学（罗德映博士），电子科技大学（任翱搏研究员）等合作实验室给与测试上的帮助，以及北京大学朱瑞教授团队（杨晓宇博士）在论文撰写过程中给予的宝贵建议。
六、参考文献
学术交流QQ群
光伏器件学术QQ群：
光学材料与器件学术QQ群：
钙钛矿产教融合交流@知光谷（微信群）：需添加编辑微信
为加强科研合作，我们为海内外科研人员专门开通了钙钛矿科创合作专业科研交流微信群。加微信群方式：添加编辑微信，备注：姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由编辑审核后邀请入群。
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