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近年來，鈣鈦礦薄膜材料的研究進(jìn)行的如火如荼，近期，西安電子科技大學(xué)郝躍院士團(tuán)隊(duì)常晶晶教授課題組通過采用氟化分子（CF3-PEABr）界面鈍化鈣鈦礦薄膜協(xié)同表面活性劑（Triton X-100）摻雜修飾PC61BM實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池器件。

相關(guān)研究以“Synergistic Interface Layer Optimization and Surface Passivation with Fluorocarbon Molecules toward Efficient and Stable Inverted Planar Perovskite Solar Cells”為題，發(fā)表在Research上。

研究背景

近年來，有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦材料由于其光吸收率強(qiáng)，遷移率高，載流子壽命長，帶隙可調(diào)以及多種方式的加工等優(yōu)點(diǎn)，在太陽能電池、發(fā)光二極管、光電探測(cè)、阻變存儲(chǔ)器等領(lǐng)域中展現(xiàn)出了巨大的潛力。

尤其在太陽能電池領(lǐng)域，自2009年首次報(bào)道以來，基于有機(jī)-無機(jī)鈣鈦礦材料的太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率已從3.8%增長到25.5%。

然而，由于有機(jī)離子（MA+、FA+等）的存在，其穩(wěn)定性問題一直是目前光伏器件商業(yè)化發(fā)展的研究重點(diǎn)。

如何提高鈣鈦礦薄膜材料的穩(wěn)定性同時(shí)保持優(yōu)異的光電特性是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

西安電子科技大學(xué)郝躍院士團(tuán)隊(duì)常晶晶教授課題組通過采用氟化分子（CF3-PEABr）界面鈍化鈣鈦礦薄膜協(xié)同表面活性劑（Triton X-100）摻雜修飾PC61BM實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池器件。


研究進(jìn)展

研究表明，通過采用氟化分子（CF3-PEABr）修飾鈣鈦礦界面形成低維鈣鈦礦，可以有效地鈍化界面缺陷態(tài)，提高薄膜結(jié)晶質(zhì)量。

同時(shí)三氟甲基基團(tuán)自組裝聚集在鈣鈦礦薄膜表面，增強(qiáng)鈣鈦礦薄膜的疏水特性，緩解水氧對(duì)于鈣鈦礦薄膜的侵蝕，提高鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性（圖1）。


圖1（A）鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜；（B）鈣鈦礦薄膜的UV/vis圖譜；（C）鈣鈦礦薄膜的表面形貌；（E）器件結(jié)構(gòu)示意圖；（F-G）鈣鈦礦薄膜的XPS圖譜

本研究基于密度泛函理論計(jì)算不同缺陷結(jié)構(gòu)的態(tài)密度、缺陷形成能以及離子遷移能，研究分析CF3-PEABr鈍化作用對(duì)于鈣鈦礦微觀物理特性的影響（圖2）。


圖2 CF3-PEABr鈍化對(duì)鈣鈦礦缺陷形成能和離子遷移能的理論計(jì)算

盡管三氟甲基基團(tuán)的疏水特性可以提高薄膜穩(wěn)定性，但也導(dǎo)致PC61BM電子傳輸層在鈣鈦礦層上不連續(xù)性，影響器件性能。

該工作創(chuàng)新性引入表面活性劑Triton X-100摻雜修飾PC61BM，從而實(shí)現(xiàn)在疏水的鈣鈦礦表面制備連續(xù)的電子傳輸層。

同時(shí)由于表面活性劑分別含有疏水的長鏈和親水的基團(tuán)，其末端的羥基可以與鈣鈦礦薄膜表面的三氟甲基通過氫鍵或靜電作用增強(qiáng)界面接觸，實(shí)現(xiàn)有效的電荷傳輸和提取，從而實(shí)現(xiàn)高性能的鈣鈦礦太陽能電池器件。

此外，表面活性劑疏水基團(tuán)在PC61BM層自組裝增強(qiáng)了PC61BM層的疏水特性，提高了電子傳輸層的薄膜穩(wěn)定性。

基于氟化分子（CF3-PEABr）界面鈍化作用協(xié)同表面活性劑（Triton X-100）摻雜修飾，該研究實(shí)現(xiàn)基于反型鈣鈦礦電池器件21.9%的器件效率以及1.15 V的高開路電壓，同時(shí)表現(xiàn)出良好的器件光穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性以及長期穩(wěn)定性。

器件放置在空氣下（濕度~35%）1000小時(shí)，其器件性能仍能保持初始效率的98%，相比于Control器件，其器件穩(wěn)定性和薄膜穩(wěn)定性得到顯著提高（圖3）。


圖3 CF3-PEABr鈍化器件電學(xué)性能及其穩(wěn)定性測(cè)試

未來與展望

本研究提出一種有效地氟化劑鈍化策略提高薄膜與器件的穩(wěn)定性，同時(shí)引入表面活性劑Triton X-100解決鈣鈦礦薄膜疏水界面導(dǎo)致電子傳輸層不連續(xù)的難點(diǎn)問題，實(shí)現(xiàn)高效率穩(wěn)定的反型鈣鈦礦太陽能電池器件。

本研究的鈍化策略和表面活性劑摻雜具有良好的普適性，為反型鈣鈦礦器件效率和穩(wěn)定性的發(fā)展提供一種新思路，有望應(yīng)用于全印刷鈣鈦礦太陽能電池的研究。

作者簡(jiǎn)介

郝躍

西安電子科技大學(xué)教授，中國科學(xué)院院士。國際IEEE學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，中國電子學(xué)會(huì)常務(wù)理事，陜西省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)副主席，陜西省半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)理事長。

長期從事新型寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件、微納米半導(dǎo)體器件與高可靠集成電路等方面的科學(xué)研究與人才培養(yǎng)，在氮化鎵∕碳化硅第三代（寬禁帶）半導(dǎo)體功能材料和微波器件、半導(dǎo)體短波長光電材料與器件研究和推廣、微納米CMOS器件可靠性與失效機(jī)理研究等方面取得了系統(tǒng)的創(chuàng)新成果。

在國內(nèi)外著名期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文500余篇；2010年榮獲“何梁何利”科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。

常晶晶

西安電子科技大學(xué)教授，國家高層次人才計(jì)劃入選者，中國科協(xié)青年人才托舉工程入選者。

近年來主要從事金屬氧化物及鈣鈦礦半導(dǎo)體理論計(jì)算、材料可控生長、印刷工藝優(yōu)化、電子及光電器件制備及系統(tǒng)集成等方面的研究工作。

截止目前，在Science、Joule、Advanced Materials等核心期刊上發(fā)表SCI論文160余篇，20多篇文章入選年度熱點(diǎn)文章及ESI高被引文章。

主持參與國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目20余項(xiàng)。 

原標(biāo)題：高效穩(wěn)定反型鈣鈦礦太陽能電池器件新進(jìn)展 | 西安電子科技大學(xué)郝躍院士、常晶晶團(tuán)隊(duì)新進(jìn)展