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第一作者：Mingming Zhao
通讯作者：宋延林
通讯单位：中国科学院化学研究所
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202418176
摘要
钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其高效率和低成本的溶液加工性而备受关注。然而，界面缺陷和能量级对齐的不完善是限制器件性能进一步提升的关键因素。本研究中，我们在SnO2和钙钛矿层之间引入了2,2′-联吡啶-4,4′-二羧酸（HBPDC）作为界面修饰层，通过其两个羧基与SnO2表面的羟基发生酯化反应，以及氮原子与未配位的铅（Pb2+）原子通过路易斯酸碱相互作用，实现了对SnO2和埋藏钙钛矿层表面缺陷的同时钝化。此外，HBPDC的电子缺陷性质增强了界面能带对齐，促进了从钙钛矿到SnO2的电子转移。结果，优化后的PSCs在标准AM 1.5G条件下展现了25.41%的卓越光电转换效率（PCE），并具有显著的环境稳定性。
研究成果
中国科学院化学研究所宋延林在《Angewandte Chemie International Edition》上发表了题为“2,2′-Bipyridyl-4,4′-Dicarboxylic Acid Modified Buried Interface of High-Performance Perovskite Solar Cells”的论文，研究成功地将HBPDC作为界面修饰层应用于高性能钙钛矿太阳能电池中，实现了对SnO2和钙钛矿层表面缺陷的有效钝化，提高了器件的光电转换效率和稳定性。通过HBPDC的引入，不仅改善了界面能带对齐，促进了电子的提取和传输，还增强了界面粘附力，提高了器件的机械可靠性。这些改进使得PSCs的光电转换效率达到了25.41%，并且在环境稳定性测试中表现出色。
论文亮点
1.双功能界面修饰：HBPDC通过其羧基与SnO2表面发生酯化反应，同时其氮原子与钙钛矿层中的Pb2+发生路易斯酸碱相互作用，实现了对界面缺陷的双重钝化。
2.能带对齐优化：HBPDC的电子缺陷性质有助于优化界面能带对齐，促进电子从钙钛矿到SnO2的有效转移。
3.机械可靠性提升：HBPDC的引入增强了界面粘附力，提高了器件的机械可靠性，这对于提高器件的长期稳定性至关重要。
4.高效率和稳定性：通过这些改进，PSCs展现了25.41%的高光电转换效率，并在环境稳定性测试中表现出色。
图文导读
图 1：a) HBPDC与SnO2层和钙钛矿层之间的化学相互作用示意图。b) SnO2、HBPDC和SnO2-HBPDC薄膜的FT-IR光谱。SnO2和SnO2-HBPDC薄膜的XPS光谱：c) Sn 3d，d) O 1s。
图 2：a) HBPDC和HBPDC-PbI2的XPS光谱中的Pb 4f。b) HBPDC和HBPDC-PbI2的1H NMR。c) HBPDC和HBPDC-PbI2的FT-IR光谱。d) HBPDC、PbI2和HBPDC-PbI2薄膜的XRD光谱。
图 3：a) 控制组钙钛矿薄膜的顶视SEM图像。b) 目标钙钛矿薄膜的顶视SEM图像。c) 本工作中设备组件的能级图。d) ITO/SnO2/钙钛矿（控制）和ITO/SnO2-HBPDC/钙钛矿（目标）薄膜的PL光谱。e) ITO/SnO2/PVK/PCBM/BCP/Ag（控制）和ITO/SnO2-HBPDC/PVK/PCBM/BCP/Ag（目标）电子唯一设备的TRPL光谱。f) 控制组和目标组的电子唯一设备的SCLC测量。
图 4：a) 设备的横截面SEM图像。b) 控制组和目标组最佳设备的J-V曲线，活性面积为0.04 cm2。c) 控制组和目标组设备的EQE光谱。d) 控制组和目标组设备的统计光伏性能。e) 控制组和目标组设备的相应Nyquist图。f) 控制组和目标组设备的Mott-Schottky图。
图 5：a) 在20-30℃和20-30%RH条件下控制组和目标组设备的环境稳定性测试。b) 在80℃和20-30%RH条件下控制组和目标组设备的热稳定性测试。c-f) 在约50%RH和约30℃环境中存放500小时后，控制组（c）和目标组设备（d）的钙钛矿薄膜底部的SEM图像。控制组（e）和目标组（f）设备的相应横截面SEM图像。
结论
本研究为提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性提供了一种有效的界面修饰策略。通过选择合适的修饰材料，可以实现对界面缺陷的有效钝化，优化能带对齐，并增强器件的机械可靠性。这些发现为钙钛矿太阳能电池的进一步发展和商业化提供了重要的指导。
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