引言

近年來，有機-無機雜化鈣鈦礦材料由于其易合成、低成本、高吸收系數(shù)、載流子擴散距離長等優(yōu)勢，在光伏領(lǐng)域掀起研究熱潮，成為炙手可熱的“明星材料”。近期，基于鉛(Pb)鹵化物鈣鈦礦材料的太陽能電池器件取得了巨大的進步, 最新能量轉(zhuǎn)化效率屢創(chuàng)新高，官方認證的單節(jié)器件效率已高達25.2%。然而，重金屬Pb的毒性問題是這一材料在商業(yè)化道路上需要解決的問題。近年來，基于錫（Sn）的太陽能電池器件得到了廣泛的研究，并取得了令人鼓舞的進展。例如，通過在甲脒錫碘（FASnI3）鈣鈦礦薄膜中引入大體積胺 (如，苯乙胺[PEA]和正丁胺[BA])，能夠有效提高FASnI3太陽能電池的光伏性能。然而，這些大體積胺的絕緣特性質(zhì)限制了薄膜的電荷提取效率，進而阻礙了器件高效率的獲得。因此，尋找一種提高薄膜電荷提取效率的方法對于更高效器件的實現(xiàn)意義重大。

研究內(nèi)容

西安交通大學電信學院吳朝新教授團隊設(shè)計了一種具有共軛結(jié)構(gòu)的有機大分子，3-苯基-丙烯-1-胺(PPA)，用于解決上述FASnI3鈣鈦礦太陽能電池存在的問題，促進薄膜中的電荷提取能力。研究發(fā)現(xiàn)，PPA的存在可以使FASnI3薄膜的晶粒尺寸增大，使晶粒鈍化，并誘導膜的取向。此外，由于PPA大的空間位阻，能夠?qū)崿F(xiàn)對FASnI3薄膜光伏特性的自修復?；诮?jīng)PPA修飾的FASnI3膜制備的反式鈣鈦礦太陽能電池器件，其能量轉(zhuǎn)化效率高達9.61%，是目前報道的Sn基鈣鈦礦太陽能電池器件的最高值。最重要的是，我們首次制備了大面積Sn基鈣鈦礦太陽能電池器件(1 cm2)，并實現(xiàn)了7.08%的能量轉(zhuǎn)化效率。這項研究工作提出了一種實現(xiàn)Sn基鈣鈦礦薄膜高穩(wěn)定性和強電荷提取能力的有效策略，揭示了高效率Sn基鈣鈦礦太陽能電池提的巨大潛力。

該項研究工作以題目為“Conjugated Organic Cations Enable Efficient Self-Healing FASnI3 Solar Cells”發(fā)表于國際頂級期刊Cell旗下能源領(lǐng)域子刊Joule（IF = 20）上（論文鏈接：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30426-X）。該論文第一作者為課題組青年教師冉晨鑫博士，吳朝新教授作為領(lǐng)銜通訊作者(Lead Contact Author)，西安交通大學為第一作者單位。參與此項工作的還有美國西北大學資深講席教授Mercouri G. Kanatzidis教授，中國科學院上海應用物理研究所高興宇研究員。

該工作得到國家自然基金委重點項目（編號61935016）、面上課題（編號11574248），科技部國家重點研發(fā)專項（編號2016YFB0400702）的支持。

西安交通大學吳朝新教授團隊長期研究新型功能材料的“光-電”與“電-光”物理機制及其器件應用如太陽能電池與發(fā)光二極管，近期有多項重要成果發(fā)表于國際頂級期刊：Joule，Advanced Materials, Advanced Functional Materials, AngewandteChemie International Edition, ACS Energy Letter, Nano Energy等，更多研究內(nèi)容可參見吳朝新教授主頁：

http://zhaoxinwu.gr.xjtu.edu.cn

圖文導讀

圖一. PPA摻雜FASnI3材料的結(jié)構(gòu)及薄膜表征

(A) FA和PPA的分子結(jié)構(gòu)式。(B) PPA摻雜FASnI3材料的結(jié)構(gòu)示意圖。(C-H) 不同PPA摻雜量下FASnI3薄膜的SEM圖。(I) 不同PPA摻雜量下FASnI3薄膜的粒徑分布圖。(J) 摻雜和未摻雜15% PPAI的FASnI3薄膜在100℃下退火不同溫度的照片。

圖二. PPA摻雜前后FASnI3薄膜取向性表征

(A) 0% PPAI和(B) 15% PPAI薄膜的掠入射X射線衍射圖。(C) 不同薄膜中(100)衍射環(huán)在不同Azimuth角度下的積分強度對比圖。(D) 不同PPA摻雜量下FASnI3薄膜的XRD圖。(E) 未摻雜和(F)摻雜PPA的FASnI3薄膜的成膜過程示意圖。

圖三. 太陽能電池器件性能表征

(A) 太陽能電池器件的斷面SEM圖。(B) 15% PPAI薄膜在不同濃度下的電流-電壓曲線圖。優(yōu)化的基于15% PPAI的太陽能電池器件的(C)不同掃描方向的電流-電壓曲線和(D)外量子效率曲線。(E) 持續(xù)光照條件下，摻雜與未摻雜PPA的器件的最大功率輸出穩(wěn)定性曲線。(F) 采用不同有機大分子摻雜的FASnI3鈣鈦礦薄膜的太陽能電池器件效率分布圖，其中統(tǒng)計基于18個獨立電池器件。

圖四. PPA摻雜FASnI3薄膜的載流子特性表征

(A) 基于15% PPAI和15% PEAI太陽能電池器件的電流-電壓曲線圖。(B) PPA和PEA分子的分子結(jié)構(gòu)和電子能量軌道分布模擬結(jié)果。(C) PPA2SnI4和PEA2SnI4薄膜的空間電荷限制電流(SCLC)表征。(D) 15% PEAI和(E)15% PPAI薄膜的電化學阻抗（EIS）表征，插圖為EIS擬合時采用的等效電路圖，其中Rs為薄膜表面的串聯(lián)電阻，R為鈣鈦礦薄膜的體電阻。(F) 不同偏壓下EIS表征中鈣鈦礦薄膜的體電阻R的擬合結(jié)果。

圖五. PPA摻雜FASnI3薄膜的穩(wěn)定性和自修復特性研究

摻雜和未摻雜15% PPAI的FASnI3薄膜在不同環(huán)境下的穩(wěn)定性表征：(A) 氮氣環(huán)境，(B) 60%濕度的空氣環(huán)境，(C) 100℃持續(xù)加熱下。15% PPAI薄膜在不同放置條件下的自修復特性表征：(D) 加熱-氮氣循環(huán)，(E) 空氣-氮氣循環(huán)。(F) 不同有機大分子摻雜時FASnI3薄膜的自修復特性表征。(G) PPA摻雜FASnI3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)自修復特性的可能原理。

圖六. PPA摻雜FASnI3薄膜的大面積電池器件

(A) 15% PPAI薄膜的低倍SEM圖?；?5% PPAI薄膜的1 cm2大面積鈣鈦礦太陽能電池器件的(B)照片，(C)不同掃描方向的電流-電壓曲線，(D)不同掃描速率的電流-電壓曲線。

本文由西安交通大學吳朝新教授團隊供稿。