英文原題：Insight into Air Degradation of Inverted Perovskite Solar Cells with different Cathode Interlayers
通訊作者：李楓紅，吉林大學；黃勁松，牛津大學高等研究院(蘇州)
作者：Chengzhuo Yu(余成卓), Jialin Yang(楊佳林), Zilong Bing(邴子龍), Yun Hu(胡云), Bao Li(李豹), Jingsong Huang(黃勁松)*，Fenghong Li(李楓紅)*
反式鈣鈦礦太陽能電池（IPVSCs）具有制備工藝簡單、可低溫成膜、易于實現柔性化，適合與硅基電池結合制備疊層電池等優勢，應用潛力巨大，受到了國內外科研工作者的廣泛關注。目前，單結IPVSCs的光電轉換效率（PCE）已超過25%，展現出巨大的商業化前景。然而，IPVSCs的穩定性不足是制約其商業化發展的一個重大挑戰。一般高效IPVSCs都使用富勒烯作為電子傳輸層。因為富勒烯和金屬電極能級不匹配，需要在它們之間引入陰極界面層（CIL）以實現調節能級排列、提升電子抽取、降低陰極界面復合損失的目的。另外一個好的CIL還應該能夠阻擋鈣鈦礦鹵素離子和陰極金屬原子的互相遷移以及水分的滲透。目前由于鈣鈦礦及其器件的降解機制非常復雜，人們對IPVSCs的老化過程還沒有很清楚的認識，特別是CIL對IPVSCs空氣衰減過程的影響鮮有報道。
近日，吉林大學李楓紅團隊和牛津大學高等研究院(蘇州)黃勁松團隊在JPC Letters上發表了不同陰極界面層反式鈣鈦礦太陽電池空氣衰減的深入洞察。本文重點研究了陰極界面層（BCP或TOASiW12）對Al或Ag為陰極IPVSCs空氣穩定性的影響，探究了器件在空氣衰減過程中電學特性和形貌變化。當器件暴露空氣后，以BCP/Al為陰極的IPVSCs在激子解離、電子傳輸和抽取方面嚴重受限，并伴隨著缺陷態密度的提高和缺陷誘導的嚴重復合損失，而且鈣鈦礦層晶體垮塌受損嚴重，最終導致BCP/Al器件PCE在空氣中2小時快速衰減至0。相反，以TOASiW12/Al、BCP/Ag和TOASiW12/Ag為陰極IPVSC暴露空氣2天后，器件的電學特性變化不明顯，鈣鈦礦層晶體保持完好。本工作為IPVSCs的空氣衰減機理提供了新思路，并促進了低成本高效CIL材料的開發。
要點一： 未封裝BCP/Al器件PCE在空氣中2小時快速衰減至0，而未封裝TOASiW12/Al器件暴露空氣2天后PCE仍能保持初始值的96%。
圖1. 在100 mW cm-2 AM 1.5G光照（a和c）和暗態條件（b和d）下，未封裝BCP/Al和TOASiW12/Al器件暴露空氣（45%RH）不同時間的J-V曲線。
要點二：隨時間衰減的BCP/Al器件在激子分離和載流子收集方面嚴重受限，同時內建電勢隨暴露空氣時間急劇下降。但TOASiW12/Al器件激子分離和載流子收集能力隨暴露時間變化不大，甚至其內建電勢隨暴露時間延長略有提升。
圖2. 未封裝BCP/Al器件和TOASiW12/Al器件暴露空氣（45%RH）不同時間Jph-Veff曲線 （a和c）和C-2-V曲線 （b和d）。
要點三：BCP/Al器件在空氣中2小時內缺陷增多，電子遷移率急劇降低；而TOASiW12/Al器件在空氣中2天后變化很小。
圖3. 未封裝BCP/Al（a）和TOASiW12/Al（b）為陰極單電子器件暴露空氣（45%RH）不同時間J-V曲線。
要點四：BCP/Al器件暴露空氣2小時后瞬態光電流（TPC）降至零，而且LED關閉時TPC信號衰減為負值。這表明嚴重衰減的BCP/Al器件內積累了大量的陷阱電荷，電荷勢壘的形成屏蔽了內建電場并大大降低了電荷提取能力。但TOASiW12/Al器件暴露空氣2天后TPC信號只有微小變化，說明其仍保留高效的電荷提取和輸運能力。
圖4. 未封裝BCP/Al和TOASiW12/Al器件暴露空氣（45%RH）不同時間瞬態光電流信號（a和c）。（b）和（d）為BCP/Al器件和TOASiW12/Al器件對應電流衰減（t > 500 μs，LED關閉）放大區域。
綜上所述，通過IPVSCs光照和暗態J-V曲線、Jph-Veff曲線、C-V曲線和TPC測量以及單電子器件的暗態J-V曲線系統地研究了BCP/Al、TOASiW12/Al、BCP/Ag或TOASiW12/Ag器件空氣衰減過程的電學特性變化。我們發現BCP/Ag、TOASiW12/Al和TOASiW12/Ag器件在空氣中2天后仍能保持約96%的初始PCE，而BCP/Al器件在空氣中2小時后PCE降至零。由于Al和鈣鈦礦在空氣中不良反應的發生，導致BCP/Al器件在激子解離、電荷載流子的傳輸和提取/收集方面劣化嚴重，而TOASiW12/Al、BCP/Ag和TOASiW12/Ag器件的電學特性變化不明顯。因此，CIL材料的選擇以及CIL與金屬陰極之間的良好匹配對IPVSCs的空氣穩定性具有重要意義。本工作為IPVSCs的空氣衰減機理提供了新思路，并促進了低成本高效CIL材料的開發。
相關論文發表在JPC Letters上，吉林大學博士研究生余成卓為文章的第一作者，吉林大學李楓紅教授和牛津大學高等研究院(蘇州)黃勁松博士為通訊作者。
李楓紅，吉林大學化學學院教授，博士生導師。2005年在德國德累斯頓工業大學獲博士學位（師從Karl Leo教授）。2005-2009年先后在加拿大多倫多大學和瑞典林雪平大學從事博士后研究工作。2010年加入吉林大學超分子結構與材料國家重點實驗室，研究方向包括有機及鈣鈦礦太陽能電池器件物理與化學、有機光電器件電極界面修飾和界面物理以及有機電子傳輸材料的N型摻雜等。目前主要研究興趣為用于有機及鈣鈦礦太陽能電池的新型可印刷陰極界面材料。已在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., CCS Chem. 等雜志發表SCI研究論文100余篇，獲授權美國發明專利2項中國發明專利6項。
黃勁松，牛津大學高等研究院(蘇州)聯合首席科學家，光電技術研究中心主任及鈣鈦礦薄膜技術創新中心主任，牛津大學物理學院和工程學院客座研究員，華南理工大學客座教授。一直專注于有機半導體材料和器件的研究，特別是新型發光二極管和光伏器件的研究領域，從基礎性和應用性探索，到產業化前瞻和原型樣品的開發，已發表50余篇SCI學術論文，獲得十余項發明專利，并促成了部分成果的產業開發。
J. Phys. Chem. Lett. ?2024, 15, 105?112
Publication Date: December 26, 2023
https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c03087
? 2023 American Chemical Society
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