第一作者：Xiaopeng Zheng, Zhen Li, Yi Zhang, Min Chen

通讯作者：朱宗隆, Joseph M. Luther

通讯单位：香港城市大学, 美国国家可再生能源实验室

【研究亮点】

简化钙钛矿太阳能电池（PSCs）的制造过程对于打破商业化壁垒至关重要。在此背景下，为了提高PSCs的可制造性，作者开发了一种单步溶液涂层程序，其中空穴选择性接触和钙钛矿光吸收器自发形成，从而产生高效的倒置 PSC。并且，实验观察到在钙钛矿薄膜加工过程中，掺入钙钛矿前体溶液中的膦酸或羧酸在氧化铟锡基板上自组装。在钙钛矿晶体化过程中形成了牢固的自组装单分子层，作为孔选择性接触层。该方法解决加工过程的润湿性问题，简化了器件制造过程，推进了钙钛矿太阳能电池的可制造性。在此，正-内-负（p-i-n）结构的钙钛矿太阳能电池，在连续照射下以最大功率点运行1200小时后，显示出24.5%的转换效率，并保持其初始效率的>90%。

【主要内容】

由于在组分工程、溶剂工程、相稳定化、接触和界面工程以及缺陷去除方面的进展，钙钛矿太阳能电池（PSCs）已经取得了接近26%的卓越转换效率（PCE）。这些高效的钙钛矿太阳能电池通常需要多步制备，在这些步骤中，需要依次沉积载流子传输层、钙钛矿吸收层、界面处理层和电极。在不降低器件效率的同时减少器件加工步骤的数量，将极大有利于降低工艺的复杂性和制造成本，这将提高钙钛矿太阳能电池的可制造性。

在倒置钙钛矿太阳能电池中，通过在钙钛矿前体溶液中加入p型添加剂，例如2,3,5,6-四氟-7,7,8,8-四氰基喹啉，氟代（四芳基苯并[1,2-b:4,5-b′]二吡咯-1,5-二基）二烷基磺酸盐和硫氰酸亚铜（CuSCN）已经被广泛研究，以通过调整铟锡氧化物（ITO）/钙钛矿界面的能带对齐来消除孔传输层（HTL）沉积步骤。这种策略已经实现了20.2%的PCE18的钙钛矿太阳能电池。然而，尽管进行了这些努力，无HTL器件的概念并没有普及，并且它们的PCE远远落后于常规结构的器件。

当前，一些最有前途的倒置结构钙钛矿太阳能电池采用含有咔唑基磷酸（PA）的自组装单分子层（SAM）制备而成，例如[2-(9H-咔唑-9-基)乙基]磷酸（2PACz）、[2-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基)乙基]磷酸（MeO-2PACz）和[4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]磷酸（Me-4PACz）。它们具有在粗糙表面均匀涂覆的能力和高孔洞提取选择性以及低界面电子陷阱密度，因此可用作优秀的孔选择性接触层。

在此，香港城市大学朱宗隆联合美国国家可再生能源实验室Joseph M. Luther报道在制备高效倒置结构钙钛矿太阳能电池时，单步自发形成SAM孔选择性接触层和吸收层的方法。作者将各种分子直接引入钙钛矿前体溶液中，这些分子在钙钛矿薄膜处理过程中自组装成为SAM，并在ITO基板上形成了一个优秀的孔选择性接触层。研究发现，通过对顶部表面进行钝化和施加电极等步骤完成了器件制备，获得了具有24.5% 能量效率的PCE的电池，在照射下经过超过1200小时的稳定运行。

图1. 钙钛矿薄膜的制备与表征        

图2. SAM 形成、能量对准和载流子寿命的表征 

图4. PSC 的刀片涂层和不同 PA 的评估         

图5. 评估不同的 SAM 分子系统和溶剂

文献信息

Xiaopeng Zheng, Zhen Li, Yi Zhang, Min Chen et al. Co-deposition of hole-selective contact and absorber for improving the processability of perovskite solar cells. Nature Energy (2023).

https://doi.org/10.1038/s41560-023-01227-6