武汉大学方国家教授等：多功能的酒石酸锑钾提升宽带隙钙钛矿电池的效率和稳定性

宽带隙钙钛矿材料由于其在叠层电池的广泛应用备受关注。然而，由于光诱导的相分离和严重的非辐射复合损失，宽带隙钙钛矿太阳能电池通常表现出较大的开路电压损失。迫切需要一种多功能添加剂来协同钝化钙钛矿太阳能电池的体内、表面缺陷和调节界面能级结构，以提升器件的效率和稳定性。本文提出将酒石酸锑钾(APTA)添加到宽带隙钙钛矿前驱体中，作为多功能添加剂。其中的羧基基团能够调节钙钛矿晶体的动态生长，羧基基团与 Pb 配位，降低了铅的结合能；APTA 材料中的钾离子抑制了卤素的迁移和光照诱导的晶格膨胀；同时锑元素能够与钙钛矿发生相互作用，参与改变钙钛矿的电子结构和能带结构的调节。这样，APTA 不仅钝化了钙钛矿体内缺陷和界面缺陷，抑制了非辐射复合，提高了钙钛矿材料的载流子寿命和稳定性，还能抑制相分离，同时还改善了钙钛矿吸光层与电荷传输层之间的能级排列，从而有效地加速了载流子的提取，钙钛矿器件的迟滞现象得到有效抑制。最终，基于酒石酸锑钾材料的倒置结构宽带隙钙钛矿太阳能电池获得了20.35%的能量转换效率，器件在一个标准太阳光下连续工作1000小时后仍能保持80%的初始效率。此外，通过将半透明宽带隙钙钛矿电池与窄带隙锡-铅钙钛矿电池结合，全钙钛矿四端叠层太阳能电池实现了26.3%的效率。

Antimony Potassium Tartrate Stabilizes Wide-Bandgap Perovskites for Inverted 4-T All-Perovskite Tandem Solar Cells with Efficiencies over 26%
Xuzhi Hu, Jiashuai Li, Chen Wang, Hongsen Cui, Yongjie Liu, Shun Zhou, Hongling Guan, Weijun Ke *, Chen Tao* and Guojia Fang*
Nano-Micro Letters (2023)15: 103
https://doi.org/10.1007/s40820-023-01078-6

宽带隙钙钛矿材料由于其在叠层电池的广泛应用备受关注。然而，由于光诱导的相分离和严重的非辐射复合损失，宽带隙钙钛矿太阳能电池通常表现出较大的开路电压损失。武汉大学方国家&柯维俊&陶晨课题组首次提出将酒石酸锑钾(APTA)添加到宽带隙钙钛矿前驱体中。研究表明，酒石酸锑钾材料既能钝化缺陷减小非辐射复合，还能抑制相分离，同时可以优化能级排列。最终，基于酒石酸锑钾材料的倒置结构宽带隙钙钛矿太阳能电池获得了20.35%的效率，器件在一个标准太阳光下连续工作1000小时后仍能保持80%的初始效率。此外，通过将半透明宽带隙钙钛矿电池与窄带隙锡-铅钙钛矿电池结合，全钙钛矿四端叠层太阳能电池实现了26.3%的效率。

I APTA材料对宽带隙钙钛矿薄膜的影响
APTA材料对宽带隙钙钛矿薄膜的晶体结构以及荧光光谱影响如图1所示。图1a是宽带隙钙钛矿薄膜的XRD图谱，图1b-d是两种钙钛矿薄膜在光照前后的XRD变化图。结合两组数据可以看出，APTA的加入有助于提升宽带隙钙钛矿薄膜的结晶质量，同时能够增强钙钛矿薄膜的光照稳定性。此外可以看到，对照组薄膜经过光照之后，(100)和(110)晶面对应的衍射峰都相向小角度发生偏移，这种变化是卤素迁移引起相分离导致的，同等条件下的APTA组薄膜则没有明显变化。因此APTA材料可以有效抑制相分离。图1e-f的荧光光谱也表明了载流子寿命的提升和非辐射复合的抑制。
图1. APTA材料对宽带隙钙钛矿薄膜的晶体结构以及荧光光谱影响。(a)对照组和APTA组宽带隙钙钛矿薄膜的XRD图谱；(b)对照组和(c)APTA组宽带隙钙钛矿薄膜在连续光照下的XRD图谱变化图；(d)光照前后两种宽带隙钙钛矿薄膜的XRD放大图；对照组和APTA组宽带隙钙钛矿膜的(e)稳态荧光光谱和(f)瞬态荧光光谱图。

II APTA添加剂对宽带隙钙钛矿电池性能的影响基于APTA材料对宽带隙钙钛矿材料的性能提升，制备了倒置宽带隙钙钛矿器件。图2a-b显示了相应的器件结构以及截面扫描电镜图。图2a的J-V曲线表明APTA能够显著提升宽带隙器件的VOC和FF，最终获得了20.35%的转换效率。图2d的稳态曲线表明器件在5分钟的连续稳态功率输出下也没有任何衰减。图2. APTA材料对宽带隙钙钛矿太阳能电池性能的影响。(a)器件结构示意图；(b)器件的截面扫描电镜图像；对照组和APTA组宽带隙钙钛矿器件的(c)最优J-V曲线；(d)稳态输出效率和稳态电流密度；(e)相应的EQE和积分电流密度；(f)效率统计箱图。

III 宽带隙钙钛矿的能带结构表征通过光电子能谱测试可以表征分析APTA对宽带隙钙钛矿材料中元素结合能以及能带结构的影响。图3a-b为对照组和APTA组薄膜的Pb 4f和Sb 3d XPS能谱图，结果表明Sb元素的成功引入，而且APTA材料能够与Pb配位，降低铅的结合能，从而钝化钙钛矿中的缺陷。图3c-e为宽带隙钙钛矿器件的能带结构分析。结果说明，APTA能够调节宽带隙钙钛矿的能级结构，使其更好地与电子传输层之间进行能级匹配，这有利于钙钛矿器件获得更高的VOC和FF。图3. APTA材料对宽带隙钙钛矿的能带结构影响。对照组和APTA组薄膜的(a) Pb 4f和(b)Sb 3d XPS能谱图；(c)Tauc图及相应的光学带隙；(d)二次电子截止区和费米能量截止区的UPS能谱图；(d)倒置宽带隙钙钛矿器件的能级结构示意图。

IV 宽带隙钙钛矿材料的缺陷分析APTA材料对宽带隙钙钛矿的缺陷影响如图4所示。图4a-e为热导纳谱分析以及器件的电容-电压曲线图。图4f-g为开路电压随光强的变化图以及电化学阻抗测试结果。结合两组数据可以看到，APTA能够显著降低宽带隙钙钛矿材料的缺陷态密度同时改变缺陷能级的位置，而且有助于减少钙钛矿中的非辐射复合进一步增强器件的内建电场。图4h展示的两种器件的最大功率点追踪图也进一步表明APTA能够提升宽带隙钙钛矿太阳能电池的稳定性，器件连续工作1000小时后仍保有初始效率的80%，显示出添加剂对器件稳定性的改善作用。图4. APTA材料对宽带隙钙钛矿中的缺陷影响。(a)对照组和(b)APTA组宽带隙钙钛矿器件的导纳谱；(c)Arrhenius图；(d)Mott-Schottky图；(e)室温下的缺陷态密度图；(f)VOC随光强的变化图；(g)Nyquist图；(h)光照下最大功率点变化图。

V 全钙钛矿叠层太阳能电池的器件性能最后，基于APTA改进的宽带隙钙钛矿材料制备了效率为18.7%的半透明钙钛矿电池，并将其与一个窄带隙的锡-铅钙钛矿太阳能电池结合，如图5所示，最终得到了效率为26.3%的四端全钙钛矿叠层太阳能电池。图5. 基于APTA材料的全钙钛矿叠层电池的性能。四端全钙钛矿叠层电池的(a) 器件结构示意图；(b) J-V曲线图和相应的(c) EQE光谱图。

作者简介

(1)宽带隙钙钛矿太阳能电池；(2)基于钙钛矿的叠层太阳能电池。

方国家
本文通讯作者

武汉大学 教授

▍主要研究领域

(1)光电材料及器件；(2)薄膜太阳能电池。
▍主要研究成果

武汉大学物理科学与技术学院二级教授。方国家教授在提高太阳能电池的转换效率、稳定性，特别是在电子传输层材料创新上有很高的造诣，长期从事薄膜太阳能电池研究。发明的二氧化锡电子传输层材料被广泛应用于多种平面钙钛矿单结与叠层太阳能电池中。目前已在《Nature Photonics》、《Nature Energy》、《Nature Communications》、《Joule》、《Advanced Materials》、《Advanced Functional Materials》、《Advanced Energy Materials》、《Nano-Micro Letters》等国际学术期刊发表300余篇SCI论文，授权中国发明专利40余项。主持2项国家863计划(薄膜光伏电池)课题、国家基金面上与重点项目、湖北省创新重大专项与重点研发计划等项目。未来一段时间内的主要研究方向仍然是开发高效率，高稳定性的钙钛矿太阳能电池，推动该型电池产业化进程，为解决能源短缺，缓解环境污染等问题做出应有的贡献。
▍Email：gjfang@whu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2021JCR影响因子为 23.655，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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