第一作者：Jun Peng，Daniel Walter

通訊作者：Thomas P。 White，Kylie R。 Catchpole

通訊單位：澳大利亞國立大學

在鈣鈦礦-電荷傳輸層介面插入聚合物鈍化層，可以改善鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓。然而，許多鈍化層是不良導體，導致在鈍化質量（電壓）和串聯電阻（填充係數，FF）之間進行權衡。為此，

澳大利亞國立大學Thomas P. White，Kylie R. Catchpole

介紹了一種奈米圖案化的電子傳輸層（ETL），透過修改鈍化層的空間分佈以形成奈米級區域性電荷傳輸路徑的方法來克服這種折衷，從而提供了有效的鈍化和出色的電荷提取。透過將奈米圖案化的電子傳輸層與無摻雜空穴傳輸層相結合，

1平方釐米電池的FF值為0.839，經認證的光電轉換效率為21.6％

。相關結果以“

Nanoscale localized contacts for high fill factors in polymer-passivated perovskite solar cells

”為題發表在

Science

期刊上。

【研究內容】

如圖1所示，自2014年來，鈣鈦礦太陽能電池效能的提升來源於開路電壓（VOC）、短路電流（JSC）、填充因子（FF）的大幅增加。VOC從~1 V增加到1。2 V，反映了非輻射覆合的減少，在2015年至2018年之間達到穩定水平，然後在2019年之後急劇上升。但在2015年以來，JSC並沒有大幅增加。理論FF極限是VOC的函式，取決於活性層的帶隙、非輻射覆合機率。但事實上，由於寄生電阻的損失（串聯和並聯），很多效能很好的電池往往都低於FF極限值。因此，

實現非常高的FF需要低的複合機率（高VOC）、緻密均勻的活性層（高並聯電阻）、高效的電荷提取和傳輸（低串聯電阻）

。VOC和FF之間的無相關性意味著記錄效率的FF是不受複合限制，而是受電阻損失影響。因此，VOC=1。1 V的電池，最大FF應該是0。89，遠高於目前實現的最大值。同時實現高的VOC和FF在所有太陽能電池是一個很大的挑戰；對於鈣鈦礦太陽能電池來說，目前在大面積器件上很難實現高的效率和FF。

最高記錄效率的器件面積是特別小的，0.1 cm2，比商業化的矽電池至少小三倍。

圖1 PSC認證效率記錄圖

目前，高效率的PSC都是基於鋰鹽摻雜的Spiro-OMeTAD和PTAA，易吸潮的鋰鹽會嚴重誘導鈣鈦礦的分解，從而影響器件的執行穩定性。為此，研究人員使用CuPc摻雜的P3HT（P3HT：CuPc）混合物作為高效且穩定的空穴層。此外，作者對電子傳輸層也做了一些最佳化。如圖2所示，介孔TiO2的器件結構為glass/ITO/c-TiO2/meso-TiO2/PMMA： PCBM/Cs0。05FA0。88MA0。07PbI2。56Br0。44/PMMA/P3HT： CuPc/Gold。對於平面型的器件，省去了介孔TiO2，分別以溶液過程的TiO2（S-Planar）、ALD沉積的TiO2（A-Planar）為電子層。平面型器件的VOC要比介孔TiO2的高（圖2C），這可能由於更小面積的複合介面造成的。在平面型器件中，FF的降低可能由於增加的鈍化存均勻造成的（圖2E）。介孔器件中更高的FF可能因為鈍化層在有起伏的電子層表面上部分或非均勻的鋪蓋而獲得更薄的鈍化層，增強了有效的電荷傳輸。

圖2 基於奈米TiO2 ETL的奈米圖案和參比器件的結構和光電效能統計分佈

透過比較平面和介孔器件的VOC和FF之間的權衡，研究人員在C-TiO2上開發了TiO2奈米陣列作為奈米圖案ETL，具體實現過程可參看原文。這種最佳化的紋理圖案同時實現了平面型器件的高VOC和高FF。 奈米圖案的鈣鈦礦電池結構為ITO/c-TiO2/TiO2 nanorods/PMMA： PCBM/Cs0。05FA0。88MA0。07PbI2。56Br0。44/PMMA/P3HT： CuPc/Gold（圖2A-B），在圖2中，研究人員對比了不同間距奈米圖案化電池的效能。300，600，1000 nm間距的奈米圖案電池實現了和平面型相當的VOC，而且所有電池的

J

sc均相似（圖2D）。

相比於平面型電池，奈米圖案電池獲得了FF的提升，這是奈米棒降低了串聯電阻

（圖3A）。平面型器件獲得最低的FF，0。741±0。017 （S-Planar），0。739±0。013 （A-Planar）；而敏化結構器件的FF=0。790±0。017 （圖2E）。300 nm間距的奈米圖案電池具有FF=0。824±0。012；隨著間距的增大，FF會降低，0。803±0。015（600-nm），0。789±0。013（1000-nm）。300 nm間距的奈米圖案電池平均PCE為21。91±0。57%，而S-Planar、A-Planar、介孔結構器件的PCE分別為19。64±0。55% 、19。54±0。56%、20。83±0。55%（圖2F）。300 nm間距的奈米圖案電池最佳器件PCE為23。17%，

V

oc=1。240 V和FF=0。845。

圖3 模擬結果

由於TiO2-鈣鈦礦介面上的PMMA：PCBM層厚度小於3 nm，電子顯微鏡難以觀察清楚，作者對此進行了理論模擬（圖3B），並發現模擬結果和實驗室結果一致，表明未鈍化的奈米棒TiO2-鈣鈦礦介面的奈米級區域形成有助於區域性低電阻電荷傳輸，而對有效介面重組和

V

oc的影響有限。當在未鈍化的奈米棒表面上增加非輻射覆合（k值減小）時，擴大奈米棒間距會降低介面複合並增加

V

oc（圖3C），但FF會在中間值（k和間距）獲得最佳值（圖3D）。對於小的間距，降低

V

oc會降低FF，而較大的間距則透過增加鈣鈦礦塊體的傳輸阻力來減小FF。最終在300 nm的間距獲得器件的最佳效能（圖3E）。

以上效能都是在0。165 cm2器件上獲得的。

對於1.02 cm2有效面積，最佳器件獲得了21.96%的PCE，Voc為1.205 V, Jsc為21.80 mA/cm2，FF為0.836

（圖4A）。EQE光譜測得的積分電流與光電流具有很小的差異（〜3％，圖4B）。直方分佈圖顯示了大面積鈣鈦礦器件良好的重複性（圖4A）。在N2氣氛連續照射下，帶有P3HT：CuPC HTL未封裝的電池在260小時後保留了約95。3％的初始效率（初始PCE為〜21。45％），而帶有Spiro-OMeTAD HTL的參比電池在250小時下降為其初始效率的76。1％（初始PCE〜19。50％）。溼熱試驗（封裝的電池在黑暗中暴露於85°C和相對溼度的85％）結果（圖4D）表明，基於P3HT：CuPc的電池在受溼熱1009小時後仍保持約91。7％的初始效率，而帶有Spiro-OMeTAD HTL的電池僅在240小時後便表現出明顯的降解，這歸因於鈣鈦礦和Spiro-OMeTAD介面引起的鋰離子擴散。

圖4 1 cm2鈣鈦礦電池的器件效能和長期穩定性測試

Peng， J。 et al， Nanoscale localized contacts for high fill factors in polymer-passivated perovskite solar cells。

Science

2021， DOI：10。1126/science。abb8687