AM：采用无空穴传输层的窄带隙钙钛矿太阳能电池实现高效全钙钛矿叠层器件

第一作者：马天舒，王华阳

通讯作者：王绍军*，赵德威*，李孝峰*，王长擂*

单位：苏州大学，四川大学

有机无机杂化钙钛矿材料具有优异的光电学特性，或成为新型光伏领域的有力竞争者。钙钛矿具有带隙宽幅可调的优势，非常适合制备全钙钛矿叠层太阳能电池，突破单结钙钛矿太阳能电池的转换效率限制。其中，锡铅混合窄带隙钙钛矿子电池的性能对叠层器件的效率和稳定性起着至关重要的作用。然而，传统的PEDOT:PSS空穴传输层具有酸性强、寄生吸收大等诸多问题，限制了窄带隙钙钛矿电池的性能。本篇文章采用牛磺酸作为界面桥连分子，开发了具有稳定界面、低光损耗和良好电荷传输的无空穴传输层器件结构，实现了高性能的窄带隙单结和全钙钛矿叠层太阳能电池。

近日， 苏州大学李孝峰教授团队与四川大学赵德威教授团队合作 ，在国际知名期刊 Advanced Materials 上发表题为 “Hole Transport Layer-Free Low-Bandgap Perovskite Solar Cells for Efficient All-Perovskite Tandems” 的文章。

该文章针对传统的PEDOT:PSS空穴传输材料酸性强、寄生吸收大、能级失配导致钙钛矿埋底界面处载流子非辐射复合损失严重等问题，利用牛磺酸作为埋底界面连接层，提升光学透过率，改善电荷传输效果，制备的无空穴输运层窄带隙钙钛矿太阳能电池最高效率为22.50%，开路电压（VOC）高达0.911 V，使得全钙钛矿叠层太阳能电池的效率达到26.03%。

自组装单分子层和金属氧化物等材料均可替换PEDOT:PSS空穴传输材料，提升器件性能。然而，通常使用的MeO-2PACz等SAM材料具有一定的疏水性，不适合制备高质量窄带隙钙钛矿薄膜。在本工作中，研究人员选择了一种烷基链较短的Brønsted-Lowry酸（牛磺酸）来调节窄带隙钙钛矿太阳能电池的埋底界面接触性质，并获得了良好的器件性能。牛磺酸是一种两性离子，氨基和磺酸基分别位于分子结构的两端，磺酸基锚定在ITO电极上，暴露的氨基末端与窄带隙钙钛矿相互作用，改善薄膜质量和结晶度。基于牛磺酸界面修饰的钙钛矿薄膜具有大晶粒尺寸和优异的结晶特性。

牛磺酸分子中的磺酸基锚定在ITO衬底上，形成厚度在3~4 nm左右的自组装层，解决了传统空穴传输层的寄生吸收问题，从而大幅提高了窄带隙钙钛矿电池的短路电流密度（JSC）。基于薄膜的开尔文探针力显微镜（KPFM）测试，牛磺酸修饰的ITO的功函数比PEDOT:PSS更低，能够更好地匹配窄带隙钙钛矿层的能级，促进电荷传输。借助薄膜形貌的表征，发现牛磺酸分子能填补ITO衬底上凹凸不平的地方，减小衬底的粗糙度，有利于高质量钙钛矿薄膜的沉积。基于对薄膜的光致发光（PL）和瞬态光致发光（TRPL）测试，牛磺酸样品的PL强度最低，说明电荷提取效率最高。TRPL结果进一步证实了基于牛磺酸修饰的钙钛矿样品中具有更好的载流子输运动力学。用X射线衍射（XRD）测定了不同衬底上的钙钛矿薄膜，发现牛磺酸样品的衍射峰强度最高、结晶度最好。通过时间分辨微波电导率（TRMC）测量，发现牛磺酸基钙钛矿样品的载流子迁移率明显提高，表明其电荷输运性能得到改善。

单结窄带隙钙钛矿太阳能电池最佳效率为22.50%，最高VOC为0.911 V，由此得到电池的VOC损耗小于0.34 V（带隙为1.25 eV）。此外，得益于牛磺酸可忽略的寄生吸收，窄带隙钙钛矿太阳能电池的平均JSC达到31.07±0.36 mA cm ^-2 ，高于传统的PEDOT:PSS器件的30.28±0.22 mA cm ^-2 。通过测量钙钛矿电池VOC和JSC的光强依赖性，研究器件中载流子动力学，证明牛磺酸修饰的器件具有最小的非辐射复合。暗电流测试同样证明了牛磺酸修饰的窄带隙钙钛矿电池具有非常小的漏电流，从而降低了电荷复合损耗，保证了器件较高的VOC和填充因子（FF）。电化学阻抗谱（EIS）和空间电荷限制电流（SCLC）测量也表明了牛磺酸/钙钛矿界面缺陷被显著抑制，并且由于缺陷的减少和良好的能级排列，最大程度降低了电荷复合，提高了单结和叠层器件的性能。

基于牛磺酸中间连接层的叠层电池最佳PCE为26.03%，VOC为2.11 V，JSC为15.06 mA cm ^-2 ，FF为81.9%。牛磺酸界面修饰显著提高了单结窄带隙和全钙钛矿叠层器件的稳定性。基于牛磺酸界面修饰的窄带隙钙钛矿电池在储存5000小时后保持了初始效率的90%。基于牛磺酸中间连接层的叠层电池在标准光照下持续运行600 小时和在55 °C热应力下持续运行950 小时后，分别保留了90%和80%的初始效率。

Hole Transport Layer-Free Low-Bandgap Perovskite Solar Cells for Efficient All-Perovskite Tandems

李孝峰 ：苏州大学党委常委、副校长，教育部CJ学者特聘教授（2020），国家青年特聘专家（2012），国家重点研发计划首席科学家，兼任光电科学与工程学院院长、数码激光成像与显示教育部工程研究中心主任、教育部现代光学技术重点实验室常务副主任，中国光学工程学会常务理事、中国光学学会理事、江苏省高校科研管理研究会副理事长。

2007年1月博士毕业于西南交通大学信息科学与技术学院，获“四川省优秀博士论文奖”和“全国百篇优秀博士论文提名奖”。其后，在新加坡南洋理工大学和伦敦帝国理工学院工作。2012年1月来到苏州大学，承担来自科技部、国家自然科学基金委、教育部和江苏省等10余个国家和省部级课题。累计在Nature Energy（2篇）、Energy & Environmental Science, Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Nano Letters、ACS Nano、Applied Physics Letters、Optics Letters、物理学报、中国激光等光电子信息领域主流期刊发表论文近200篇，做邀请报告/担任分会场主席50余次，担任Science、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials等近50个期刊评审专家，获2019年教育部自然科学二等奖、2019年度中国光学学会光学科技二等奖、2015年首届“江苏青年光学科技奖”等奖项。指导学生获得江苏省优秀本科论文一等奖、江苏省优秀本科毕业设计团队、江苏省优秀博士（3篇）、江苏省优秀硕士学位论文奖（4篇）、全国光学工程优秀博士论文提名奖（2篇）、江苏省青年光学学生奖、江苏省大学生年度人物提名奖等荣誉。是IEEE、中国光学学会和中国密码学会高级会员，2016至2021年连续六年担任美国光学学会Applied Optics和IEEE Photonics Journal期刊副主编，现为中国光学学会《激光与光电子学进展》编委、中国光学工程学会《PhotoniX》高级编委。主要研究：先进光电探测技术及应用、第三代高效太阳能电池的设计与制备、光电传感与检测。

赵德威 ：四川大学教授，博士生导师，曾入选2019年国家级青年人才、四川省学术和技术带头人、四川省杰出青年科技人才、四川省青年人才引进计划，曾获德国教育科技部“绿色精英奖(Green Talent)”和国家留学基金委“国家优秀自费留学生奖学金”等。2022年入选科睿唯安“高被引科学家”和爱思唯尔高被引学者。主持国家重点研发计划课题、国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”项目、国家自然科学基金面上项目、四川省科技厅杰出青年科技人才项目等。2011年在（新加坡）南洋理工大学获博士学位，先后在密歇根大学、佛罗里达大学、托莱多大学开展研究工作。主要研究高性能全钙钛矿叠层太阳能电池光伏材料与器件机理相关基础科学与关键技术问题，多次实现突破。在Nature、Nature Energy（5篇）、Science等发表论文150多篇。2022年指导学生团队荣获第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛金奖。

王长擂 ：苏州大学副教授，光电科学与工程学院院长助理。2013年本科毕业于烟台大学光电信息科学与技术学院，获“山东省优秀毕业生”；2018年12月博士毕业于武汉大学物理科学与技术学院；其间于2015年11月至2018年7月，在美国托莱多大学鄢炎发（Yanfa Yan）教授课题组联合培养。2019年1月入职苏州大学，承担科技部重点研发计划项目子课题、国家自然科学基金委和江苏省自然科学基金等6项课题。作为第一作者/通讯作者，累计发表Nature Energy（3篇）、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、ACS Nano等国际期刊论文30余篇，总计发表期刊论文100余篇，论文总引用7800余次，H-index=39。做邀请报告10余次，担任Advanced Materials、Nano Energy等20余个期刊评审专家。入选中国科协青年人才托举工程、获江苏省“双创博士”、苏州大学“仲英青年学者”、苏州大学光电学院优秀青年学者等荣誉。主要研究：高效钙钛矿单结及叠层太阳能电池、光电探测器、可见光通信。

王绍军 ：苏州大学副教授，2011年赴法留学，师从法国科学院Thomas W. Ebbesen院士，2015年取得物理学博士学位。2016年起在荷兰科技产业创新中心—埃因霍温从事博士后研究工作。2020年回国，入职光电科学与工程学院，获苏州大学“特聘副教授人才引进”和江苏省“双创博士”资助。现主要致力于微纳光子学、发光学以及下转换光电子器件的基础和应用研究。主持国家自然科学基金面上、江苏省自然科学青年基金、江苏省重点实验室等多个科研项目。在Nature Communications、Nano Letters、Fundamental Research、ACS Photonics等期刊上发表SCI论文30余篇，其中被引用200余次2篇，100余次3篇，近5年论文总引用1000余次。为中国激光杂志社第三届青年编辑委员会委员，担任激光与光电子学进展青年编委，并为Nat. Commun.、Light Sci. Appl.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Photon.、ACS Appl. Mater. Inter.、New J. Phys.、J. Appl. Phys.、物理学报等期刊审稿。2022-2023年连续2次荣获“江苏省高校大学生物理与实验科技作品创新竞赛”优秀指导教师奖，至今已培养了多名本科生和硕士研究生，其中1名“䇹政学者”，2名分别赴著名剑桥大学和哈工大深造。

马天舒 ：苏州大学光电科学与工程学院博士生。师从李孝峰教授、王长擂副教授。目前主要研究方向为载流子光电热动力特性研究及和全钙钛矿叠层太阳能电池的制备。

王华阳 ：苏州大学光电科学与工程学院硕士生。师从王长擂副教授。主要研究方向为窄带隙钙钛矿太阳能电池和全钙钛矿叠层太阳能电池的制备。

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