引入界面增溶劑製備大面積平面鈣鈦礦太陽能電池

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鈣鈦礦太陽能電池（PSCs），作為一種下一代新型能源技術，近年來得到快速發展。它的器件效率由3.8%提高到22.1%，可以和傳統硅電池相媲美，甚至已經觸及商業化應用的邊緣。因此，目前科學家們的研究熱點已經轉移到提高器件壽命以及實現大面積加工等問題上，要想真正實現工業生產，這是兩個亟待解決的問題。目前文獻報道的可以延長器件壽命的方法也基本都是基於小面積（≤ 0.1 cm2），放大之後往往效果並不理想。

最近，韓國光州科學技術院的Kwanghee Lee和Hongkyu Kang等研究人員通過引入一種兩性的共軛聚電解質作為界面增溶劑，製備了高質量的鈣鈦礦薄膜，得到了可延展的PSCs。用單一溶劑加工得到面積為6cm2的（1cm2× 6 子電池）PSCs，並且所有子電池均得到高達16.1± 0.9%（最高17%）的器件效率。這是目前報道的面積在1cm2的列印PSCs的最高效率。

圖1. a) 有無界面增溶劑的鈣鈦礦薄膜以及SEM示意圖；b) PSCs器件結構示意圖；c) PFN兩性分子與PTPD以及鈣鈦礦層的相互作用模擬示意圖。圖片來源：Adv. Mater.

作者選用能級匹配的PTPD作為空穴傳輸層，但是由於強極性PTPD本身的疏水性，與含有離子的親水性的鈣鈦礦前驅體在熱力學上排斥作用，導致很嚴重的浸潤問題，從而不能形成均一、完全覆蓋的鈣鈦礦薄膜（圖1a）。從SEM圖上可以明顯看出薄膜具有許多針孔和缺陷。為了解決這一問題，作者引入一種兩性的共軛分子PFN（圖1a），它可實現鈣鈦礦和PTPD的緊密接觸。

XRD結果表明，在空穴傳輸層（HTL）/PFN基底上，能獲得很好的多晶鈣鈦礦薄膜。並且通過UPS可以檢測到很好的能級匹配。此外作者還做了普適性的測試，發現在P3HT、TT、PTB7-Th、PCDTBT等作HTLs時均得到提高的器件效率。並且當PTPD作為HTLs時，效率高達19.14%（表1）。

圖2. a) 鈣鈦礦薄膜的XRD；b) 能級示意圖；c) J-V曲線；d) 器件的串/並聯電阻。圖片來源：Adv. Mater.

表1. 光伏數據。圖片來源：Adv. Mater.

此外，從圖3可以看出，當研究人員加入PFN後，隨著器件面積增大，器件的光電轉換效率仍能保持較高的水平。因此可以得知，加入PFN可以在HTLs與鈣鈦礦層之間起到很好的界面修飾作用。

圖3. J-V曲線(a、b)；器件面積和效率示意圖(c、d)；e) 大面積器件；f) J-V曲線。圖片來源：Adv. Mater.

最後，作者做了穩定性測試，發現插入PFN後並不會對器件穩定性造成不利影響。並且作者引入TiOx後發現16天後器件仍能保持80%的器件效率，穩定性進一步增強。

圖4. 穩定性測試。圖片來源：Adv. Mater.

共軛聚電解質PFN以前被廣泛應用於有機太陽能電池中，取得了相當不錯的效果。而今天，它被創新性的應用到鈣鈦礦太陽能電池中，很好的調節了界面接觸。這在很大程度上解決了鈣鈦礦在疏水界面上成膜的問題，為以後進一步實現大面積應用奠定了基礎。

Achieving Large-Area Planar Perovskite Solar Cells by Introducing an Interfacial Compatibilizer

Adv. Mater.,2017, DOI: 10.1002/adma.201606363

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