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来源：研之成理收集编辑：LHSRYY
▲第一作者：Xiaopeng Zheng、Zhen Li、Yi Zhang、Min Chen通讯作者：Joseph M. Luther、Zonglong Zhu通讯单位：美国戈尔登国家可再生能源实验室、香港城市大学https://doi.org/10.1038/s41560-023-01227-6由于组分工程、溶剂工程、相稳定化、接触和界面工程以及缺陷钝化等技术的进步，钙钛矿太阳能电池(PSCs)获得了接近26%的优异光电转换效率(PCE)。这些高效的PSCs通常由电荷载流子传输层、钙钛矿吸收体、界面处理层和电极依次沉积的多步法制备而成。在不牺牲器件效率的前提下，减少器件加工步骤的数量，有利于降低工艺的复杂度，降低制造成本，增强PSCs的可制造性。在倒置构型中，研究人员探索了在钙钛矿前驱体溶液中使用p型添加剂，通过改变氧化铟锡(ITO)/钙钛矿界面处的能量取向来去除空穴传输层(HTL)沉积步骤。该策略实现了20.2% PCE的PSCs。然而，尽管如此，无HTL器件的概念并未普及，其PCEs明显落后于常规结构器件。简化可再生能源技术的制造过程对于降低商业化的障碍至关重要。1.在此背景下，为了提高钙钛矿太阳能电池(PSCs)的可制造性，本工作开发了一步溶液包裹过程，在该过程中，空穴选择性接触和钙钛矿光吸收体自发形成，从而产生高效的倒置PSCs。2.本工作观察到，在钙钛矿薄膜加工过程中，掺入到钙钛矿前驱体溶液中的膦酸或羧酸在氧化铟锡衬底上自组装。当钙钛矿结晶时，它们形成了一个坚固的自组装单层，作为一种优异的空穴选择性接触。本工作的方法解决了润湿性问题，简化了器件制备，提高了PSCs的可制造性。3.本工作的正-本征-负(p-i-n)结构的PSC器件在连续光照下工作在最大功率点1200 h后，功率转换效率为24.5%，并保留了超过90%的初始效率。该方法与不同的自组装单层分子体系、钙钛矿、溶剂和加工方法兼容，具有良好的通用性。1、本工作首先在4：1 N，N -二甲基甲酰胺(DMF)-二甲亚砜(DMSO)的钙钛矿前驱体溶液中引入0-2 mg ml-1 Me-4PACz，制备了1.56 eV带隙Cs0.05(FA0.92MA0.08)0.95Pb(I0.92Br0.08)3(FA)。在本文中，本工作将前驱体中含有Me-4PACz的钙钛矿薄膜称为"目标"钙钛矿，而不含PA的薄膜称为"纯"钙钛矿。2、本工作制备了玻璃/ITO/钙钛/钝化剂/C60/BCP/Ag结构的倒置PSCs。图1b展示了冠军目标1.55 eV PSC器件24.5%PCE的正向和反向电流密度-电压(J-V)特性。Me-4PACz浓度依赖的J-V曲线表明，1.55 e V器件的最佳浓度为0.25 mg ml-1。3、当Me-4PACz浓度较高时，性能急剧下降，主要是由于分流电阻降低。Me-4PACz浓度较低的器件的PCEs略低，主要归因于开路电压(VOC)的损失，本工作预期这是钙钛矿与ITO直接接触的结果。1、为了研究SAM形成的动力学，本工作用DMF将含有Me-4PACz的中间相钙钛矿薄膜冲洗掉，但仍然部分湿润。然后本工作在衬底上重新沉积了一层纯钙钛矿薄膜(图2a)。2、所得器件的PCE仅为18.4% (图2b)。电池表现出低于目标器件(1.08 V vs 1.14 V的VOC和填充因子(FF)) (78.9% vs 83.3%)的性能，表明无SAM区域导致ITO与钙钛矿直接接触。本工作认为，在钙钛矿结晶之前，SAM是松散堆积和不完整的。3、本工作还进行了原位实时光致发光(PL)实验来监测钙钛矿结晶过程。结果表明，纯钙钛矿薄膜和目标钙钛矿薄膜的形貌相似，目标钙钛矿薄膜在结晶过程中具有更高的PL强度，表明目标钙钛矿薄膜中的缺陷更少。1、本工作在钙钛矿-硅叠层太阳能电池中常用的宽禁带钙钛矿Cs0.05FA0.8MA0.15 Pb(I0.75Br0.25)3(EG≈1.68 eV)上测试了这一方法，以证明这一概念的一般性。目标器件反向扫描的PCE为20.3%，VOC为1.14 V。2、利用准费米能级分裂(QFLS)的方法，本工作发现用C60覆盖钙钛矿后，与之前的报道一致，ITO/Me-4PACz/纯钙钛矿和ITO /目标钙钛矿叠层都显示出电压可能提高65-80 mV的空间(图3a)。本工作将其归因于钙钛矿表面缺陷态的不完全钝化。3、本工作使用最大功率点(MPP)追踪评估了连续光照下未封装的1.55 eV器件的工作稳定性(图3c)。在目标钙钛矿被洗掉的衬底上制备的纯净器件，Me-4PACz只在底界面上，经过1200 h的连续运行，保留了初始PCE的82%。在底界面和顶界面均为Me-4PACz的情况下，表面钝化和未钝化的目标器件分别保留了91%和85%的初始PCE。1、受高器件性能的鼓舞，本工作进一步通过叶片涂覆法制备PSCs来评估薄膜均匀性和提升能力。由于尝试将钙钛矿直接加工到Me-4PACz SAM上会产生严重的润湿问题，ITO/Me-4PACz衬底上几乎没有钙钛矿残留(图4a)。2、相比之下，前驱体溶液中含有Me-4PACz的刮涂靶材钙钛矿薄膜在玻璃/ ITO基底上实现了全覆盖(图4b)。1 cm2的刀片涂覆靶器件反向扫描获得22.5%的PCE，VOC为1.16 V，JSC为23.88 mA cm-2，FF为81.23% (图4c)。SPO效率为22.1%。20个刀片涂层器件的PCEs窄分布证实了良好的可重复性，该方法克服了钙钛矿墨水在SAM涂层表面润湿性差的制造挑战。3、本工作从各种钙钛矿成分、SAM化学和加工方法等方面证明了上述方法的普适性。图5d中的插图显示了Me-4PACz溶解在EtOH和二甲基乙酰胺(DMA)混合溶剂中的钙钛矿前驱体的照片，以及通过旋涂前驱体制备的钙钛矿薄膜。通过使用基于EtOH的绿色溶剂通过旋涂法制备的含Me-4PACz的目标PSCs从反向扫描显示出21.6%的PCE(图5d)。4、本工作在图5e中总结了该方法的普适性。该方法兼容不同的SAM分子体系(基于咔唑和吩噻嗪的具有膦酸或羧酸头基的化合物)、钙钛矿成分、溶剂(DMF-DMSO、ACN-2ME和乙醇基绿色溶剂)和加工方法(旋涂和可伸缩刀片涂层)。进一步采用不同的SAM分子体系、钙钛矿、溶剂和加工方法对每种条件下的方法进行精细优化，将获得更高的器件性能。https://www.nature.com/articles/s41560-023-01227-6更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。