论文信息

研究背景

钙钛矿太阳能电池因其优异的光电转换效率和低温溶液加工优势，被认为是最具发展潜力的新一代薄膜光伏技术之一。对于高效倒置钙钛矿太阳能电池而言，埋底界面在薄膜生长初期即已形成，并在器件制备完成后难以再次调控，因此该界面的电荷提取、缺陷演化、离子迁移和结构稳定性对器件效率与长期运行稳定性具有决定性影响。近年来，自组装单分子层（SAMs）已成为倒置钙钛矿电池中重要的空穴选择性接触材料，但常规SAM通常依赖单一膦酸基与氧化物基底结合，存在锚定稳定性不足、前驱体润湿性有限以及埋底界面成膜不理想等问题。

文章概述

近日，兰州大学化学化工学院曹靖教授团队在《Angewandte Chemie International Edition》发表研究论文。该工作设计了一种轴向氯配位的多齿Fe(III)卟啉配位复合物TPOBPA–Fe–Cl，并将其作为co-SAM组分与MeO-4PACz协同组装，用于倒置钙钛矿太阳能电池埋底界面调控。该分子同时具备四个膦酸锚定基团和Fe(III)–Cl配位中心，可在增强氧化物基底锚定的同时，提高对钙钛矿前驱体的界面亲和作用，从而稳定埋底界面并促进高质量钙钛矿结晶。

图1 TPOBPA–Fe–Cl的分子设计、合成路线与结构表征

在分子设计上，TPOBPA–Fe–Cl的四个膦酸基团能够与FTO等氧化物表面形成多齿锚定作用。理论计算显示，其在FTO表面的吸附能达到−23.29 eV，明显强于单膦酸基MeO-4PACz的−6.75 eV，说明该多齿结构可以显著增强SAM与基底之间的结合强度。同时，Fe(III)中心稳定的轴向氯配体提供了面向钙钛矿前驱体的相互作用位点，有助于调控局域界面电势和电荷分布。与MeO-4PACz相比，TPOBPA–Fe–Cl表现出更大的分子偶极矩和更强的界面电荷转移能力，为改善埋底界面的能级匹配和电荷传输提供了基础。

图2 TPOBPA–Fe–Cl与MeO-4PACz的静电势分布、FTO表面吸附构型与吸附能、界面局域态密度以及电荷位移行为对比

进一步的界面表征表明，co-SAM修饰后基底表面RMS粗糙度由17.4 nm降至12.6 nm，表明表面形貌更加平整。c-AFM电流图显示，co-SAM基底具有更均匀的电流分布，说明埋底接触的电学均一性得到改善。接触角测试进一步表明，钙钛矿前驱体液滴在co-SAM表面的接触角由42.77°降至27.93°，显示出更好的润湿性。随后形成的钙钛矿薄膜在表面和剥离后的埋底界面均表现出更连续、更致密的形貌，说明co-SAM有助于改善界面成膜质量。

图3 co-SAM和对照组基底的AFM形貌、c-AFM电流分布、前驱体接触角，以及钙钛矿薄膜表面和埋底界面的SEM形貌对比

GIWAXS结果显示，在不同入射角下，co-SAM样品均表现出更强的钙钛矿衍射特征，说明薄膜在不同深度范围内具有更好的晶体有序性。积分强度随入射角变化的结果也表明，co-SAM样品的厚度方向结晶差异更小。原位GIWAXS结果显示，co-SAM改变了中间相向钙钛矿相转化的过程，使最终薄膜形成更有序、更均匀的结晶路径。示意图进一步概括了对照基底和co-SAM基底上钙钛矿生长行为的差异。

图4 不同入射角下的GIWAXS线切图、钙钛矿衍射强度随入射角的变化、原位GIWAXS结晶过程以及相应的成膜示意图

基于co-SAM埋底界面构筑的倒置钙钛矿太阳能电池表现出更优的器件性能。图5显示，co-SAM器件最高光电转换效率达到27.06%，高于对照器件的25.48%；效率统计分布也表明co-SAM器件整体性能更优。暗态J–V曲线表明co-SAM器件表现出更低的暗态漏电流、更强的界面电荷传输能力和更低的陷阱态相关损失，说明该界面有助于降低电学损失并改善电荷提取。稳定性测试显示，co-SAM器件在储存和连续光照运行条件下均表现出更慢的效率衰减。

图5 器件截面、最佳器件J–V曲线、效率统计分布、暗态J-V曲线、SAM修饰接触层的电荷传输能力、陷阱态相关损失分析以及储存和连续光照稳定性结果

期刊介绍

Angewandte Chemie是全球化学领域最具影响力的顶级期刊之一，由Wiley出版，创刊于1887年，最新影响因子为16.9。