异金属氧簇定向转化制备钙钛矿太阳能电池宽带隙阴极界面材料

Angew：异金属氧簇定向转化制备钙钛矿太阳能电池宽带隙阴极界面材料

文章信息

异金属氧簇定向转化制备钙钛矿太阳能电池宽带隙阴极界面材料

第一作者：肖国斌、穆希皎、周书宇和朱柳

通讯作者：彭勇*，张磊*，曹靖*

单位：兰州大学，中国科学院福建物质结构研究所，中国科学院兰州化学物理研究所，吉林大学，南开大学

研究背景

经过十余年的快速发展，钙钛矿太阳能电池的光电转化效率超过25%，已经成为了最具竞争力的光伏电池技术。但由于低温溶液法制备的多晶钙钛矿薄膜不可避免地形成大量晶界，导致钙钛矿薄膜的缺陷密度较高。晶界缺陷与环境中水和氧的高度反应性导致钙钛矿薄膜的降解，进而降低了钙钛矿太阳能电池的稳定性。此外，界面载流子的复合仍然是限制器件效率进一步提升的关键。

​

文章简介

兰州大学曹靖教授课题组与中科院福建物构所/南开大学张磊教授合作在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上发表题为“Directional Transformation of Heterometallic Oxo Clusters: A New Approach to Prepare Wide-Bandgap Cathode Interlayers for Perovskite Solar Cells”的研究论文。该工作发展了一种新策略：将团簇作为分子前驱体制备宽带隙、具有优异界面电荷传输能力的阴极界面修饰材料，从而构筑高效稳定的钙钛矿太阳能电池器件。

本文要点

要点一：利用异金属氧簇定向制备了PbSO4-PbTi3O7异质结构

将团簇作为分子前驱体，通过原位加热的方法，利用异金属氧簇定向制备了PbSO4-PbTi3O7异质结构。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）Figure 1. (a) Crystal structure of cluster and in situ transformation. (b) XRD of simulated PbSO4, PbTi3O7 and PbSO4-PbTi3O7 transformed from cluster. (c–e) HAADF-Cs-STEM images of heterostructure of PbSO4 (100) and PbTi3O7 (011). (f) Schematic of PSC modified with PbSO4-PbTi3O7. Scanning electron microscope (SEM) images of SnO2 substrates without (g) and with (h) PbSO4-PbTi3O7 modification.

要点二：宽带隙的PbSO4-PbTi3O7异质结构对电荷传输性能的影响

宽带隙的PbSO4-PbTi3O7异质结构可以有效地抑制界面电荷的复合，并且硫酸根中的氧可以与钙钛矿中的碘相互作用促进界面电子的提取，异质结中PbSO4和PbTi3O7两相界面的金属性可以促进电子的传输。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）Figure 2. Electron cut off region (a) and valence band region (b) of UPS spectra of SnO2 substrates with and without PbSO4-PbTi3O7 coating. (c) Energy band alignment in PSCs. (d) Raman spectra of perovskite (PVSK), PbSO4-PbTi3O7 and PVSK with PbSO4-PbTi3O7. (e) Geometry structure of NEGF transport region between PbSO4 and PVSK. Electron transport probability (f) and projected localization density of states (g) of PbSO4-PVSK system. (h) Geometry structure of NEGF transport region of PbSO4 and PbTi3O7. (i) Electronic structure of PbSO4 (100) and PbTi3O7 (011) interface. (j) Electron transmission probability of PbSO4-PbTi3O7 heterostructure.

实验结果表明PbSO4-PbTi3O7异质结构可以有效的促进界面电荷的提取和传输，抑制界面电荷的复合。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）Figure 3. SEM images of perovskite films without (a) and with (b) PbSO4-PbTi3O7. AFM images of perovskite films without (c) and with (d) PbSO4-PbTi3O7. (e) Photoluminescence spectra of perovskite films without and with PbSO4-PbTi3O7. Mott–Schottky analyses (f) and EIS plots (g) of devices without and with PbSO4-PbTi3O7.

KPFM测试结果表明PbSO4-PbTi3O7修饰层可以促进界面电子的提取和传输。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）Figure 4. Cross-sectional AFM topography images of devices with (a) and without (d) PbSO4-PbTi3O7. KPFM surface potential (SP) images taken on the cross-sectional surface of devices with (b) and without (e) PbSO4-PbTi3O7. Surface potential profile (c) and electric field distribution (f) of the cross-sectional surface of devices with and without PbSO4-PbTi3O7.

要点三：PbSO4-PbTi3O7界面修饰材料对电池性能的影响

PbSO4-PbTi3O7界面修饰材料可以促进界面电子的提取和传输，减少电荷复合，修饰后的钙钛矿光伏器件效率和稳定性明显提升。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）Figure 5. (a) Cross-sectional SEM image of PSC with PbSO4-PbTi3O7. (b) Best J-V data tested in reverse (RS) and forward (FS) scans of PSCs without and with PbSO4-PbTi3O7. (c) Histograms of the efficiencies among 20 PSCs without and with PbSO4-PbTi3O7. (d) Thermal stability at 85 °C with ~30% humidity. (e) Photostability at AM 1.5 G illumination and ∼65 °C in N2 atmosphere. (f) Moisture stability measured at ∼65% humidity in environment conditions.

文章链接

Directional Transformation of Heterometallic Oxo Clusters: A New Approach to Prepare Wide-Bandgap Cathode Interlayers for Perovskite Solar Cells

Guo-Bin Xiao+, Xijiao Mu+, Shuyu Zhou+, Liu Zhu+, Yong Peng,* Qing Liang, Xiaoxin Zou, Jian Zhang, Lei Zhang,* and Jing Cao*

https://doi.org/10.1002/anie.202218478

通讯作者简介

曹靖教授简介

曹靖，教授，博士生导师，博士毕业于厦门大学化学化工学院，导师：郑南峰教授，2017年10月加入兰州大学化学化工学院，入选教育部长江学者奖励计划（青年学者）、中国化学会2018-2020年度“青年人才托举工程”推举人才、甘肃省杰出青年基金以及陇原创新创业人才等项目，主持国家自然科学基金面上和青年等项目。研究方向主要集中在：新能源材料的设计合成以及光伏应用研究（主要是染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池）。

张磊教授简介

张磊，教授，博士生导师，2009年获中国科学院福建物质结构研究所博士学位。2014年9月至2022年8月任中科院福建物构所研究员，2022年8月至今任南开大学电子信息与光学工程学院教授，主要研究方向为金属氧簇合成、结构设计、性能调控以及应用拓展等。以第一或通讯作者在Acc. Chem. Res.，Chem. Soc. Rev.，J. Am. Chem. Soc. (6)，Angew. Chem. Int. Ed. (9)，CCS Chem. (2)等国内外知名期刊发表学术论文100余篇；申请、授权发明专利10余项；目前担任《中国科学：化学》《应用化学》《Chinese Chemical Letters》《Polyoxometalates》等期刊青年编委。作为负责人主持国家基金委优秀青年科学基金、重大研究计划培育项目、面上项目、福建省杰青项目等。曾入选中科院上海分院第八届杰出科技创新人才，中国青年化学家元素周期表“钛”元素代言人。

​