近日，《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)以“Integrating Ultrathin Bulk-Heterojunction Organic Semiconductor Intermediary for High-Performance Low-Bandgap Perovskite Solar Cells with Low Energy Loss”为题，在线报道了苏州大学李永舫院士团队的李耀文教授在制备高性能Sn-Pb窄带隙钙钛矿太阳能电池方面取得的重要研究进展。(Adv. Funct. Mater., DOI: 10.1002/adfm.201804427)
近年来，有机无机杂化钙钛矿太阳能电池由于其高效、廉价、可溶液加工等优点引起了科研工作者的广泛关注，并获得了飞速的发展。
目前，认证的最高效率是基于Pb的中带隙太阳能电池，并且已经超过了23%，这一效率已经接近Shockley–Queisser (S–Q)极限。因此，制备高效窄带隙(≈1.2 eV)钙钛矿太阳能电池和钙钛矿叠层器件是进一步提太阳能电池效率的关键。
然而，与窄带隙钙钛矿薄膜能级不匹配的界面修饰层以及钙钛矿薄膜表面高的缺陷态密度一直制约着窄带隙钙钛矿太阳能电池效率的进一步提升。基于此，苏州大学李耀文教授等人将超薄体异质结有机半导体（PBDB-T:ITIC）作为Sn-Pb窄带隙钙钛矿和空穴传输层的媒介，该方法不仅在钙钛矿薄膜和空穴传输层之间构筑了梯度式能级、提高了空穴传输层载流子浓度，而且有效的钝化了钙钛矿薄膜的缺陷，减少缺陷态密度。最终，太阳能电池效率实现了大幅度提升，达到了18.03%，是迄今为止Sn-Pb窄带隙钙钛矿太阳能电池的最高效率。此外，该窄带隙太阳能电池的电压高达0.86 V，能量损失仅为0.39 eV。该工作为进一步减少窄带隙钙钛矿太阳能电池的能量损失，增加器件效率提供了新思路。
图1(a)超薄体异质结半导体材料分子式；(b) Sn-Pb窄带隙钙钛矿太阳能电池截面SEM图；(c)器件能级图。
从图1a我们可以看出，该超薄体异质结有机半导体媒介有助于Sn-Pb钙钛矿薄膜生长，获得较大的晶粒尺寸，减少晶界。不仅如此，超薄体异质结有机半导体的引入可以减少钙钛矿薄膜与空穴传输层之间能级差，提高载流子浓度，有利于减少太阳能电池载流子传输过程中的能量损失。
图2 不同条件Sn-Pb窄带隙钙钛矿太阳能电池 (a) J-V曲线图；(b) EQE曲线图； (c)恒定输出曲线图；(d) 效率分布图。
图3(a) (FASnI3)0.6(MAPbI3)0.4 的原子构型；(b) (FASnI3)0.6(MAPbI3)0.4 的(001)表面反位缺陷的密度分布图；(c)ITIC对(FASnI3)0.6(MAPbI3)0.4 的(001)表面反位缺陷钝化后的密度分布图；(d)体异质结半导体对(FASnI3)0.6(MAPbI3)0.4薄膜表面钝化的示意图。
从图3理论计算可以发现ITIC中的CN基团能够钝化(FASnI3)0.6(MAPbI3)0.4 的(001)表面反位缺陷，而PBDB-T和ITIC中的氧原子也可以对钙钛矿薄膜的缺陷态进行钝化。综上所述，体异质结有机半导体媒介对于减少电池能量损失，提高开路电压，最终实现太阳能电池效率和稳定性的提升有着重要的作用。
该工作第一作者为博士生许桂英，通讯作者为李耀文教授。该研究成果得到了国家自然科学基金面上项目（51673138）、面向能源光电转换重大研究计划集成项目（91633301），江苏省优秀青年基金（BK20160059）等项目的资助和支持。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201804427?af=R
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