程春: 有机单分子层助力高效无空穴传输层倒置钙钛矿太阳能电池

jidian

空穴能垒(ΔEh)定义为电极的费米能级(EF)与钙钛矿的价带顶(VBM)之间的能量差。对于高效无空穴传输层(HTL)的PSC，应尽可能降低或完全消除ΔEh。为了使ΔEh最小化，一种策略是将钙钛矿的VBM接近电极的EF。然而，调控钙钛矿的VBM以使ITO/钙钛矿界面处的ΔEh最小化面临着挑战，因为钙钛矿的电子结构在很大程度上取决于体系的具体情况，随制备和环境条件而变化。使ΔEh最小化的另一种策略是将ITO的EF向钙钛矿的VBM移动。为此，可以调节电极EF的有机单分子层(ML)材料已在有机电子学中广泛应用。尽管具有这一性质，但有机ML很少用于制造高效无HTL的PSC。一方面，在PSC领域，电极/HTL界面的能级排布在以前的报道中经常过于简单。另一方面，与有机材料不同，钙钛矿的强离子性质可通过与其强烈的化学相互作用消除有机ML对电极EF的影响。到目前为止，使用有机ML构建高效无HTL的PSC的可行性尚有待探究。

近日，南方科技大学程春教授、徐保民教授等借助由Sn-N键产生的界面偶极子，通过引入有机单分子层(ML)来提高ITO的有效功函数，并在ACS Nano上发表了题为“Organic Monomolecular Layers Enable Energy-Level Matching for Efficient Hole Transporting Layer Free Inverted Perovskite Solar Cells”的研究论文。ITO/钙钛矿界面处的能级排布通过无障碍接触进行优化，有利于有效的电荷转移和抑制非辐射载流子复合。基于ML修饰的ITO的无HTL PSC产生19.4%的效率，远高于原始ITO上的无HTL的PSC(10.26%)，与具有HTL的PSC相当。该研究提供了对界面能级排布机理的深入理解，有助于设计用于简化、有效的PSC器件的先进界面材料。

综上所述，作者研究了基于ML-ITO的高效无HTL PSC及其潜在机理。TAPC ML通过Sn-N键固定在ITO上，在ITO表面形成界面偶极子。ITO/ML界面处的界面偶极子可以增加ITO的有效功函数。利用TAPC ML改性的ITO作为基底，在其上生长的钙钛矿在ITO/钙钛矿界面处具有向上的能带弯曲。相应地，从钙钛矿转移到ITO的空穴的ΔEh从1.08 eV降低到0.05 eV，而ΔEe从0.52 eV增加到1.55 eV。结果，表面复合速率从2.5 m/s急剧下降到1.16 m/s。SCLC结果证实有效的空穴传输和提取主要基于ITO/钙钛矿界面处的优化能级排布。最后，基于ML-ITO的最优无HTL PSC效率超过19 %，几乎是PSCs/ITO(10.26 %)的2倍。效率提高主要源于FF和VOC改善，与串联电阻降低和饱和暗电流密度直接相关。特别地，无HTL的PSC/ML-ITO在模拟太阳光的照射下显示出可忽略的滞后和良好的稳定性。该工作突出了ITO/HTL界面能级排布的重要性，提供了对无HTL PSC机理的深入理解，并为设计用于简化PSC器件的先进界面材料提供了参考。

文献链接：Organic Monomolecular Layers Enable Energy-Level Matching for Efficient Hole Transporting Layer Free Inverted Perovskite Solar Cells (ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.8b07627)