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Science：接触钝化策略，制备高效、稳定、可溶液加工的平面钙钛矿太阳能电池
金属卤化物钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells，PSCs）由于本身的高光电能量转化效率以及低加工成本，已经成为下一代可溶液加工光伏器件的研究热点。目前文献报道的PSCs的最高器件验证效率高达22.1%，在该器件中，电子传输材料是在高温下（450-550 ℃）烧结而成的介孔TiO2材料。高温烧结过程使得整个器件制备工艺更加复杂，并且阻碍了自由模块以及钙钛矿的叠层器件装置的发展。为了克服这一缺陷，科学家正在寻求可以低温（<150 ℃）下溶液加工的具有电荷选择功能的材料，例如目前常用的可低温合成加工的TiO2、ZnO、SnO、Zn2SnO4等胶体纳米颗粒金属氧化物，用作电子传输材料。最近中科院半导体所的游经碧课题组用低温加工的SnO2制备的小面积PSCs得到的验证效率高达19.9%（Nature Energy, 2016, DOI: 10.1038/nenergy.2016.177）。除了效率之外，器件稳定性也是目前需要研究者继续努力的一个重点。高效且稳定、可低温溶液加工的大面积平面PSCs，是商业化应用希望最大的一个方向。
最近，加拿大多伦多大学的Edward H. Sargent教授课题组在Science报道了一种“接触钝化”策略，使用氯覆盖的TiO2胶体纳米晶薄膜，缓解界面复合并提高界面约束力，通过低温（<150 ℃）溶液加工制备了高效、稳定的平面PSCs。该课题组分别制备了有效面积为0.049和1.1平方厘米的器件，分别实现了20.1%和19.5%的验证效率。具有大于20%效率的太阳能电池，在模拟太阳光照射和室温下，在最大功率连续运行500小时后，效率还能够保持为最初效率的90%，经暗恢复后可达97%。
图1. 氯对钙钛矿和TiO2界面品质的影响（A、B）；氯覆盖TiO2胶体纳米晶的稳定性（C、D）。图片来源：Science
该课题组认为平面PSCs效率和稳定性的损失主要是因为有缺陷的界面以及电荷复合。因此他们用氯覆盖TiO2胶体纳米晶薄膜（TiO2-Cl）在150 ℃下制备了简单有效的电子传输材料，钙钛矿前驱体溶液中的氯添加剂能有效促进MAPbI3-xClx结晶边界的钝化，而对照组（TiO2）没有这种效果。
图2.（A）平面PSC的器件结构以及扫描电镜（SEM）横截面图；TiO2-Cl薄膜在ITO基板（B）以及钙钛矿薄膜（C）的SEM俯视图；（D）钙钛矿薄膜分别在TiO2和TiO2-Cl上的XRD图；钙钛矿薄膜分别在玻璃基板、TiO2和TiO2-Cl上的稳态PL光谱图（E）以及时间分辨荧光衰减图（F）。图片来源：Science
图3. 钙钛矿太阳能电池的光伏性能示意图。图片来源：Science
该课题组分别将TiO2和TiO2-Cl用在钙钛矿电池器件中。从光伏数据可以看出，基于TiO2-Cl的器件表现出更高的效率20.9%，并且表现出可以忽略的迟滞现象（图3）。因此，TiO2-Cl与钙钛矿界面之间更强的结合力更好地抑制了界面复合，这也更有利于器件的稳定性（图4）。
图4. 基于TiO2和TiO2-Cl的钙钛矿太阳能电池器件稳定性测试示意图。图片来源：Science
总之，在这篇文章中，Sargent等人用了一个简单的新方法制备了高效稳定的平面钙钛矿太阳能电池，这为进一步实现商业化应用奠定了基础。而且这也为该领域的研究人员指明了一条道路，促进了低温可溶液加工制备高效、稳定钙钛矿太阳能电池的发展。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Efficient and stable solution-processed planar perovskite solar cells via contact passivation
Science, 2017, 355, 722-726, DOI: 10.1126/science.aai9081
（本文由科研小顽童供稿）