英文原题：Insight into Air Degradation of Inverted Perovskite Solar Cells with different Cathode Interlayers
通讯作者：李枫红，吉林大学；黄劲松，牛津大学高等研究院(苏州)
作者：Chengzhuo Yu(余成卓), Jialin Yang(杨佳林), Zilong Bing(邴子龙), Yun Hu(胡云), Bao Li(李豹), Jingsong Huang(黄劲松)*，Fenghong Li(李枫红)*
反式钙钛矿太阳能电池（IPVSCs）具有制备工艺简单、可低温成膜、易于实现柔性化，适合与硅基电池结合制备叠层电池等优势，应用潜力巨大，受到了国内外科研工作者的广泛关注。目前，单结IPVSCs的光电转换效率（PCE）已超过25%，展现出巨大的商业化前景。然而，IPVSCs的稳定性不足是制约其商业化发展的一个重大挑战。一般高效IPVSCs都使用富勒烯作为电子传输层。因为富勒烯和金属电极能级不匹配，需要在它们之间引入阴极界面层（CIL）以实现调节能级排列、提升电子抽取、降低阴极界面复合损失的目的。另外一个好的CIL还应该能够阻挡钙钛矿卤素离子和阴极金属原子的互相迁移以及水分的渗透。目前由于钙钛矿及其器件的降解机制非常复杂，人们对IPVSCs的老化过程还没有很清楚的认识，特别是CIL对IPVSCs空气衰减过程的影响鲜有报道。
近日，吉林大学李枫红团队和牛津大学高等研究院(苏州)黄劲松团队在JPC Letters上发表了不同阴极界面层反式钙钛矿太阳电池空气衰减的深入洞察。本文重点研究了阴极界面层（BCP或TOASiW12）对Al或Ag为阴极IPVSCs空气稳定性的影响，探究了器件在空气衰减过程中电学特性和形貌变化。当器件暴露空气后，以BCP/Al为阴极的IPVSCs在激子解离、电子传输和抽取方面严重受限，并伴随着缺陷态密度的提高和缺陷诱导的严重复合损失，而且钙钛矿层晶体垮塌受损严重，最终导致BCP/Al器件PCE在空气中2小时快速衰减至0。相反，以TOASiW12/Al、BCP/Ag和TOASiW12/Ag为阴极IPVSC暴露空气2天后，器件的电学特性变化不明显，钙钛矿层晶体保持完好。本工作为IPVSCs的空气衰减机理提供了新思路，并促进了低成本高效CIL材料的开发。
要点一： 未封装BCP/Al器件PCE在空气中2小时快速衰减至0，而未封装TOASiW12/Al器件暴露空气2天后PCE仍能保持初始值的96%。
图1. 在100 mW cm-2 AM 1.5G光照（a和c）和暗态条件（b和d）下，未封装BCP/Al和TOASiW12/Al器件暴露空气（45%RH）不同时间的J-V曲线。
要点二：随时间衰减的BCP/Al器件在激子分离和载流子收集方面严重受限，同时内建电势随暴露空气时间急剧下降。但TOASiW12/Al器件激子分离和载流子收集能力随暴露时间变化不大，甚至其内建电势随暴露时间延长略有提升。
图2. 未封装BCP/Al器件和TOASiW12/Al器件暴露空气（45%RH）不同时间Jph-Veff曲线 （a和c）和C-2-V曲线 （b和d）。
要点三：BCP/Al器件在空气中2小时内缺陷增多，电子迁移率急剧降低；而TOASiW12/Al器件在空气中2天后变化很小。
图3. 未封装BCP/Al（a）和TOASiW12/Al（b）为阴极单电子器件暴露空气（45%RH）不同时间J-V曲线。
要点四：BCP/Al器件暴露空气2小时后瞬态光电流（TPC）降至零，而且LED关闭时TPC信号衰减为负值。这表明严重衰减的BCP/Al器件内积累了大量的陷阱电荷，电荷势垒的形成屏蔽了内建电场并大大降低了电荷提取能力。但TOASiW12/Al器件暴露空气2天后TPC信号只有微小变化，说明其仍保留高效的电荷提取和输运能力。
图4. 未封装BCP/Al和TOASiW12/Al器件暴露空气（45%RH）不同时间瞬态光电流信号（a和c）。（b）和（d）为BCP/Al器件和TOASiW12/Al器件对应电流衰减（t > 500 μs，LED关闭）放大区域。
综上所述，通过IPVSCs光照和暗态J-V曲线、Jph-Veff曲线、C-V曲线和TPC测量以及单电子器件的暗态J-V曲线系统地研究了BCP/Al、TOASiW12/Al、BCP/Ag或TOASiW12/Ag器件空气衰减过程的电学特性变化。我们发现BCP/Ag、TOASiW12/Al和TOASiW12/Ag器件在空气中2天后仍能保持约96%的初始PCE，而BCP/Al器件在空气中2小时后PCE降至零。由于Al和钙钛矿在空气中不良反应的发生，导致BCP/Al器件在激子解离、电荷载流子的传输和提取/收集方面劣化严重，而TOASiW12/Al、BCP/Ag和TOASiW12/Ag器件的电学特性变化不明显。因此，CIL材料的选择以及CIL与金属阴极之间的良好匹配对IPVSCs的空气稳定性具有重要意义。本工作为IPVSCs的空气衰减机理提供了新思路，并促进了低成本高效CIL材料的开发。
相关论文发表在JPC Letters上，吉林大学博士研究生余成卓为文章的第一作者，吉林大学李枫红教授和牛津大学高等研究院(苏州)黄劲松博士为通讯作者。
李枫红，吉林大学化学学院教授，博士生导师。2005年在德国德累斯顿工业大学获博士学位（师从Karl Leo教授）。2005-2009年先后在加拿大多伦多大学和瑞典林雪平大学从事博士后研究工作。2010年加入吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室，研究方向包括有机及钙钛矿太阳能电池器件物理与化学、有机光电器件电极界面修饰和界面物理以及有机电子传输材料的N型掺杂等。目前主要研究兴趣为用于有机及钙钛矿太阳能电池的新型可印刷阴极界面材料。已在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., CCS Chem. 等杂志发表SCI研究论文100余篇，获授权美国发明专利2项中国发明专利6项。
黄劲松，牛津大学高等研究院(苏州)联合首席科学家，光电技术研究中心主任及钙钛矿薄膜技术创新中心主任，牛津大学物理学院和工程学院客座研究员，华南理工大学客座教授。一直专注于有机半导体材料和器件的研究，特别是新型发光二极管和光伏器件的研究领域，从基础性和应用性探索，到产业化前瞻和原型样品的开发，已发表50余篇SCI学术论文，获得十余项发明专利，并促成了部分成果的产业开发。
J. Phys. Chem. Lett. 2024, 15, 105−112
Publication Date: December 26, 2023
https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c03087
© 2023 American Chemical Society
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