郑南峰: ZnO-ZnS级联电子传输层实现钙钛矿太阳能电池的高效率、低回滞和高紫外稳定性

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就在不久前，钙钛矿太阳能电池(PSCs)的认证效率刷新至23.7%，已经超过多种薄膜太阳能电池(CIGS等)的认证效率。其中，电池稳定性是制约PSCs产业化的最大障碍。电子传输层(ETL)作为n-i-p型钙钛矿太阳能电池中尤为重要的一层，对整个器件的性能起到了关键的作用。二氧化钛(TiO2)因其带隙合适和透光率高而被广泛研究，前人已开发了多种方法来提高基于TiO2 的PSCs器件性能——不管是TiO2表面修饰钝化，还是TiO2体相掺杂，都可以提高电子提取和转移速率。然而，TiO2的光催化作用会对钙钛矿层产生不利影响，而且TiO2本身的电子迁移率低，这极大地限制了PSCs器件的工作稳定性和性能。综上所述，开发TiO2的替代材料对构筑高性能器件是至关重要的。近年来，ZnO因其高电子迁移率和高透光率而备受关注。但是，在以往的研究中使用ZnO作为ETL时，ZnO表面的路易斯碱性基团(表面羟基)不可避免地导致器件钙钛矿层的严重降解。因此，ZnO的表界面工程仍然面临着很大挑战。

近日，厦门大学郑南峰教授、吴炳辉副教授等报道了一种通过硫化将ZnO表面转化为ZnS的简单有效的策略，并用于钙钛矿太阳电池。并在J. Am. Chem. Soc.上发表了题为“High-Efficiency, Hysteresis-Less, UV-Stable Perovskite Solar Cells with Cascade ZnO−ZnS Electron Transport Layer”的研究论文。ZnO-ZnS表面上的ZnS与钙钛矿中的Pb2+离子具有较强的相互作用，形成了一个新颖的电子传输通道，加快界面电荷转移；而且ZnS作为界面钝化层，能够减少界面电荷复合几率，同时避免了ZnO和钙钛矿直接接触，进而增强器件的稳定性。基于相关发现，组装的器件效率可达20.7 %，且低回滞；在储存放置1000 h后，器件仍保持其初始效率的88 %。并进一步利用石墨烯材料对电池进行封装，相应的电池可同时在70 %的高湿度和紫外光照射的条件下，稳定工作超过500小时。

综上，该研究提出了一种有效钝化ZnO电子传输层的策略：采用硫脲高温处理ZnO表面，在ZnO表面生成 ZnS层，并将ZnO-ZnS级联层作为电子传输层组装PSCs电池。基于ZnO-ZnS的PSCs电池在性能上(光电转化效率、回滞、稳定性)明显优于ZnO未作表界面处理的相应电池。详细的研究发现，ZnO-ZnS表面上的S原子可以与ZnO/钙钛矿界面处的Pb2+离子配位，加快电荷提取和缓解回滞。此外，ZnS钝化了ZnO表面，避免与钙钛矿层直接接触，提高了器件的稳定性。

文献链接： High-Efficiency, Hysteresis-Less, UV-Stable Perovskite Solar Cells with Cascade ZnO−ZnS Electron Transport Layer (J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b11001)