2022年8月3日，华北电力大学李美成教授团队在Joule期刊上发表了一篇题为“24.8%-efficient planar perovskite solar cells via ligand-engineered TiO₂ deposition”的研究成果。

该成果提出了一种基于配体工程的TiO₂沉积策略，通过在TiO₂明升手机水浴前驱液中引入有机配体，控制TiO₂的水浴沉积过程，从而实现有效应用于高性能钙钛矿太阳电池的TiO₂电子传输层制备，获得了24.8%的电池转换效率，该效率是已报道的TiO₂基平面钙钛矿太阳电池效率的最高值。论文通讯作者是李美成教授；第一作者是黄浩、崔鹏。

近年来，金属卤化物钙钛矿太阳电池发展迅猛，受到人们广泛关注。其中，平面钙钛矿太阳电池与介孔结构钙钛矿太阳电池相比，具有结构简单、可低温制备等优点，在叠层电池和柔性电池方面显示出突出的应用潜力。在平面钙钛矿太阳电池中，作为电子传输层，二氧化钛、氧化锡和氧化锌因其优异的光电性能受到了深入的研究。

目前，基于氧化锡电子传输层的平面钙钛矿太阳电池已经实现了超过25%的认证效率。然而，对于比氧化锡研究更早、储量更丰富的二氧化钛材料，对应平面钙钛矿太阳电池的认证效率仍停留在24%以下，远低于肖克利-奎瑟尔极限。上述的效率差距或许与二氧化钛薄膜的质量及其与钙钛矿薄膜的界面接触性能有关。因此，有必要开发出一种精准调控二氧化钛薄膜沉积过程的策略，以提升二氧化钛薄膜质量及其界面性能，进而提升平面钙钛矿太阳电池效率。

李美成教授团队提出了一种基于配体工程的TiO₂沉积策略来实现二氧化钛沉积的精准调控。以酒石酸作为配体为例，配体工程沉积策略可以有效抑制TiO₂薄膜表面的颗粒团聚，得到致密平整的电子传输层。平整光滑的TiO₂表面确保了与钙钛矿薄膜的紧密接触。另外，TiO₂薄膜表面附着的酒石酸分子，可以和钙钛矿底端的铅原子成键，从而形成界面交联结构。可靠的界面接触和交联结构有效降低了界面接触电阻，增强了界面电荷传输。进一步制备出的平面钙钛矿太阳电池，获得了24.8%的光电转换效率，该效率是已报道的TiO₂基平面钙钛矿太阳电池效率的最高值。此外，TiO₂基钙钛矿太阳电池的紫外稳定性和湿度稳定性都得到了有效增强。电池放置在环境空气中2000 h，仍可以保持其初始效率的~95%。

图1：配体工程沉积策略对TiO₂表面微观形貌的影响研究。

图2：基于配体工程沉积的TiO₂薄膜性能表征。

图3：TiO₂对钙钛矿薄膜生长影响研究及界面结构研究。

图4：TiO₂基平面钙钛矿太阳电池光电转化效率表征。

图5：TiO₂基平面钙钛矿太阳电池界面电荷转移表征。

图6：电池器件稳定性表征。

该研究提出了一种配体工程沉积策略来精确调节TiO₂薄膜及其界面结构，降低了电池的界面接触电阻，增强了界面电荷抽取，实现了TiO₂基钙钛矿太阳电池性能的显著提升，同时有效增强了紫外稳定性和湿度稳定性。另外，该研究提出的配体工程沉积策略也可以很好地应用于其他无机电子传输层的制备，如氧化锡和氧化锌，这为推动平面钙钛矿太阳电池等光电器件的发展提供了更多的可能。（来源：明升手机版(明升中国)）

相关论文信息：