西安交大蘇進(jìn)展ACS：Voc破1.37 V！面晶體重構(gòu)“神助攻”，碳基CsPbIBr?鈣鈦礦電池空穴提取率提升

主要內(nèi)容

在無(wú)空穴傳輸層的碳基體系中，碳電極與鈣鈦礦層界面處的界面電荷復(fù)合，是制約器件性能提升的關(guān)鍵因素。當(dāng)前，主流策略是通過(guò)添加配體或鈍化劑來(lái)改善薄膜質(zhì)量。然而，由于碳電極沉積工藝需進(jìn)行熱處理，傳統(tǒng)空穴傳輸層材料（如Spiro - OMeTAD）的應(yīng)用受到極大限制，導(dǎo)致碳 - 鈣鈦礦界面的空穴提取效率始終難以提高。

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HIRS 策略的提出與初步成效

在此背景下，西安交通大學(xué)蘇進(jìn)展教授帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)開(kāi)展深入研究，提出了一種原位再退火策略（HIRS）。該策略巧妙利用材料的熱穩(wěn)定性，有效提高了全無(wú)機(jī) CsPbIBr? 太陽(yáng)能電池的界面空穴提取效率。具體而言，再退火過(guò)程能夠?qū)⑹艹鼻治g后形成的 δ 相鈣鈦礦層重新轉(zhuǎn)變?yōu)?α 相，且這種相變使得鈣鈦礦層與碳層之間的化學(xué)接觸更為緊密。研究發(fā)現(xiàn)，碳電極中的石墨成分在再退火過(guò)程中有效參與了界面缺陷的修復(fù)，實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦 - 碳界面的“自鈍化”。經(jīng)再退火處理后，電池的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）從 9.21%大幅提升至 11.92%，開(kāi)路電壓（Voc）高達(dá) 1.37 V，同時(shí)電池的耐濕性也得到顯著增強(qiáng)。

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HIRS 策略的深入探究與作用機(jī)制

進(jìn)一步研究表明，熱原位再退火策略（HIRS）在效率和（尤其是開(kāi)路電壓 Voc）穩(wěn)定性方面均顯著提升了器件性能。團(tuán)隊(duì)利用 X 射線衍射（XRD）分析和碳蒸發(fā)（VC，通過(guò)特定加熱方式使碳材料蒸發(fā)沉積的技術(shù)）技術(shù)發(fā)現(xiàn)，水分在薄膜相變過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，它能誘導(dǎo)薄膜發(fā)生從 α 相到 δ 相的轉(zhuǎn)變，而這為后續(xù)再退火過(guò)程中碳 - 鈣鈦礦界面的修復(fù)奠定了基礎(chǔ)。

在 HIRS 處理過(guò)程中，石墨的 π 電子與鈣鈦礦中配位不足的 Pb2?發(fā)生相互作用，成功實(shí)現(xiàn)了界面缺陷的鈍化。拉曼光譜通過(guò)檢測(cè)分子振動(dòng)模式的變化，能夠反映材料內(nèi)部化學(xué)鍵和晶體結(jié)構(gòu)的信息；X 射線光電子能譜（XPS）可分析材料表面元素的化學(xué)狀態(tài)和電子結(jié)構(gòu)；傅里葉變換紅外光譜（FTIR）則能識(shí)別材料中的化學(xué)官能團(tuán)。這三種光譜技術(shù)的結(jié)果均有力證實(shí)了石墨與鈣鈦礦中 Pb2?相互作用導(dǎo)致的界面缺陷鈍化效應(yīng)。

缺陷態(tài)的減少顯著抑制了界面處的非輻射復(fù)合，有助于實(shí)現(xiàn)更大的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂，進(jìn)而提高了 Voc。此外，時(shí)間分辨光致發(fā)光（TRPL）數(shù)據(jù)顯示，經(jīng) HIRS 處理的鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光（PL）壽命顯著延長(zhǎng)。結(jié)合無(wú)電子傳輸層（ETL）器件的 PL/TRPL 測(cè)量結(jié)果，這表明 HIRS 主要通過(guò)降低表面缺陷密度來(lái)抑制復(fù)合，為觀察到的 Voc 提升提供了堅(jiān)實(shí)的動(dòng)力學(xué)依據(jù)。C - Pb 鍵合在鈍化鈣鈦礦薄膜表面的同時(shí)，改變了鈣鈦礦表面的電子分布，形成了一個(gè)有利于空穴傳輸?shù)耐ǖ?，從而提高了空穴提取速率。同時(shí)，這種鍵合作用調(diào)整了電子和空穴在界面處的遷移速率，部分補(bǔ)償了原本電子 - 空穴遷移速率的不匹配，減少了電荷在界面處的積累。

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HIRS 策略的意義與展望

總之，西安交通大學(xué)蘇進(jìn)展教授團(tuán)隊(duì)提出的 HIRS 策略，為理解鈣鈦礦 - 碳電極界面的鈍化與修復(fù)提供了全新的見(jiàn)解，并充分證明了其在提升無(wú)空穴傳輸層碳基 CsPbIBr? 器件性能方面具有高度的可重復(fù)性和可行性。這一創(chuàng)新策略不僅為當(dāng)前無(wú)空穴傳輸層碳基體系的發(fā)展提供了關(guān)鍵解決方案，更有望推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池向更高效率、更穩(wěn)定的方向邁進(jìn)，在新能源領(lǐng)域引發(fā)新的變革。

文獻(xiàn)信息

Improved Hole Extraction in Carbon-Based CsPbIBr2 Perovskite Solar Cells through Interface Crystalline Reconstruction for High Open-Circuit Voltages over 1.37 V

Sheng Yang，Yukai Liu，Luning Li，Weidong Zhu，Jinzhan Su

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.5c09014

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