武汉大学方国家&柯维俊等研究者多年专注于钙钛矿太阳能电池领域，并于近期在全钙钛矿串联混合锡铅(Sn-Pb)窄带隙子电池性能和稳定性欠佳问题中取得重大研究进展。相关论文以“Aspartate all-in-one doping strategy enables efficient all-perovskite tandems”为题于2023年11月08日发表在顶级期刊Nature上。
研究背景：
全钙钛矿串联太阳能电池有望超越单结太阳能电池的肖克利-奎塞尔(Shockley–Queisser)极限。然而，由于全钙钛矿串联电池中混合锡铅（Sn-Pb）窄带隙子电池的性能和稳定性不佳，制备高效稳定的NBG锡铅(Sn-Pb)钙钛矿太阳能电池(PSCs)仍然是一个巨大的挑战，因为Sn2+容易氧化成Sn4+，导致p型自掺杂，载流子寿命短和器件性能下降。
核心创新点：
本研究通过将手性天冬氨酸盐酸盐(AspCl)分子掺入底部聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)PEDOT:PSS(PEDOT)、中间钙钛矿吸光层(Bulk)和顶部封盖层(POST)中，并进行AspCl后处理，开发了一种Sn-Pb PSCs的一体化掺杂方法。有效提升了单结Sn-Pb钙钛矿太阳能电池及其串联的效率和稳定性。
使用平台设备：
1. 场发射扫描电镜ZEISS SIGMA
2. 聚焦离子束电子束双束电镜与飞行时间二次离子质谱仪联用系统Tescan Amber
3. X射线光电子能谱ESCALAB 250Xi
平台支撑数据概览：
Fig. 1| Characterization of NBG Sn–Pb perovskite films.
1. 本研究进行了一系列的结构表征，用以解析电池性能提升的具体原因。首先利用扫描电子显微镜ZEISS SIGMA用于观察钙钛矿表面形态，表征了薄膜的晶粒尺寸相似，且晶界不存在较高含量PbI2，有利于提高器件稳定性；证明了钙钛矿薄膜器件的横截面分层设计，及单片两端全钙钛矿串联太阳能电池的多层微观结构。
2. 此外，利用聚焦离子束电子束双束电镜与飞行时间二次离子质谱仪联用系统Tescan Amber进行了元素深度剖析，解析了O−和Cl−在Sn-Pb钙钛矿太阳能电池中含量随深度的具体分布趋势，证实了虽然O−和Cl−主要聚集在钙钛矿薄膜的上下界面处，并利用TOF-SIMS证明了用AspCl进行多次修饰可以有效地抑制离子迁移和钝化缺陷（图2、3）。
3. 利用X射线光电子能谱仪ESCALAB 250Xi探讨了钙钛矿的化学环境变化和潜在的键合。Sn2+和Sn4+结合能的变化表明了AspCl与钙钛矿之间的相互作用。Cl的XPS光谱验证了钙钛矿薄膜中AspCl的存在。
Fig. 2| ToF-SIMS plots of Cl−. (Supplementary Figure 16)
Fig. 3| ToF-SIMS plots of I−. ( Supplementary Figure 17)
Fig. 4| XPS spectra of perovskite films. (Supplementary Figure 21)
Fig. 5| XPS spectra of Cl. (Supplementary Figure 22)
总结：
武汉大学科研公共服务条件平台在此项研究的结构表征方面给予了有力的支撑，扫描电镜表征了钙钛矿表面形态且晶界不存在较高含量PbI2；飞行时间二次离子质谱仪证实了O−和Cl−分布在钙钛矿薄膜中并主要集中在钙钛矿薄膜的顶部和底部界面；X射线光电子能谱仪表明了AspCl与钙钛矿之间的相互作用，以上数据均为本研究解析电池性能提升的具体原因提供了有利的结构表征证明。
10月20日，《自然·能源》（Nature Energy，IF=56.7）在线发表了武汉大学王植平教授课题组在钙钛矿太阳能电池领域的最新研究成果。论文题目为“Inverted perovskite solar cells with over 2,000 h operational stability at 85 °C using fixed charge passivation”。
研究背景：
钙钛矿太阳能电池中钙钛矿/电荷萃取层异质结处的高质量缺陷钝化对太阳能器件的运行至关重要。然而，如何获得高光电转换效率的同时保持器件稳定性仍是太阳能电池领域的一大难题。
核心创新点：
本研究成功实现了一种“物理”钝化方法，通过在异质结处引入了一个带有固定负电荷的超薄氧化铝层，有效地调控了界面处不同载流子浓度分布，实现60meV的开路电压提升。并且通过器件模拟的方式，展示了这种新型方法的有效性以及发展潜力。并且封装的FCP器件能够在最大功率点工作，在85°C环境中工作2000小时后几乎没有效率损失。
使用平台设备：
1. 原子力显微镜SPM-9700HT
2. 场发射扫描电镜ZEISS GeminiSEM 500
3. X射线光电子能谱ESCALAB Xi+
平台支撑数据概览：
Fig. 1| Fixed charges at MOs/perovskite heterojunctions.
1. 本研究利用原子力显微镜SPM-9700HT KPFM表明了NiOx、SiOx和AlOx薄膜的KPFM电压(VKPFM)（图1c-e），图2、3（补充图18、22）表征了原子力显微镜形态，图4（补充图23）展示了VKPFM的分布，说明AlOx样品的平均VKPFM高于NiOx。并且SiOx样品的平均VKPFM较低，为- 0.198 V。KPFM结果进一步强化了界面处固定电荷的存在。
2. 使用场发射扫描电镜ZEISS GeminiSEM 500以及能谱仪表征了FTO/NiOx、FTO/NiOx/SiOx和FTO/NiOx/AlOx薄膜的SEM俯视形貌图（图5）。并给出了元素组成分布（图6）。
3. X射线光电子能谱ESCALAB Xi+在本研究投稿期间回复审稿稿件中提供了重要数据。
Fig. 2| AFM images (a-c) and contact potential differences (d-f) of perovskite films. (Supplementary Figure 18)
Fig. 3| AFM morphology of films. The scale bar is 500 nm. (Supplementary Figure 22)
Fig. 4| The VKPFM distribution of films. (Supplementary Figure 23)
Fig. 5|Surface morphology of the MOs. (Supplementary Figure 6)
Fig. 6|Electron dispersive spectroscopy (EDS) mapping of films. (Supplementary Figure 7)
总结：
武汉大学科研公共服务条件平台在此项研究中给予了有力的支撑，扫描电镜图片表征了MOs的表面形貌，原子力显微镜结果表明表面静电电位容易受到固定电荷的影响，进一步强化了界面处固定电荷的存在。X射线光电子能谱在本文审稿意见回复手稿中也提供了重要数据。以上结果为本研究利用AlOx钝化层制备高效、稳定的MO基太阳能电池，开发新的可扩展的，热稳定的钝化方法提供了数据支持。
平台目前拥有大型仪器设备40余台/套，包括目前世界上最先进的300 kV冷冻透射电镜、300 kV球差校正透射电镜等科研设备。并即将安装新设备30余台/套。并且，平台拥有高水平的专业技术队伍30余人，致力于为校内科研人员提供专业、及时、有效的测试分析服务。此外，作为学校学科建设和科技创新的科研支撑基地，平台也在不断创新运行机制，促进高质量开放共享，提高科研资源的有效利用率，充分挖掘大型仪器设备效能，努力为学校学科建设和科技创新做出贡献。
文字：张莹
图片：来自原文
审核：王建波
2023.11.23
