▲第一作者：张随财；
通讯作者：康卓副教授,
张跃院士;
通讯单位：北京科技大学
论文DOI：10.1002/anie.202003502
本工作针对光伏器件中电荷提取效率差异化的瓶颈问题，利用多功能石墨炔材料在氧化锡电子传输层与钙钛矿吸光层之间界面处实现了两者的全方位匹配。并从该界面同时作为钙钛矿诱导生长界面与功能服役界面两个角度，对该策略的优化效果与机制进行了探索。
在太阳能量转换器件中，电荷传输层和光吸收层之间的匹配至关重要。针对氧化锡基平面型钙钛矿光伏电池，其光生电子与空穴抽取效率的巨大差异致使这一问题尤为凸显。
传统
n-i-p
结构钙钛矿光伏电池中最常用的电子传输材料是氧化钛，虽然基于此类电子传输层的钙钛矿光伏电池光电转换效率较高，但其制备工艺需要高温（＞ 500 ℃）且冗长复杂，限制了其在柔性、叠层等类型器件中的应用。因此，能够低温制备且工艺简单的电子传输层材料逐步成为研究热点。氧化锡材料具备较高的本征电子迁移率（240 cm
2
V
−
1
s
−
1
）、较宽的带隙(3.6‒4.0 eV)、较强的紫外线照射稳定性以及与钙钛矿更为匹配的能带结构等优势，成为低温电子传输层材料的最佳候选，基于氧化锡的低温钙钛矿光伏器件也取得了相当高的光电转换效率。
然而，低温合成环境下不可避免地导致了大量残留缺陷态，严重影响了器件的电子提取效率，并增大了与空穴传输层提取效率的差距。此外，氧化锡电子传输层的表面亦是后续钙钛矿层的生长平台，其表面状态严重影响钙钛矿薄膜的结晶质量。因此，针对低温钙钛矿光伏器件中的电子提取以及界面问题，亟需全方位地综合考虑与优化。
石墨炔材料是一种同时具备
sp
和
sp
2
杂化的新型碳同素异形体，其独特的分子结构与电子特性有望在时间多尺度上实现光生载流子生成、输运、复合行为、离子迁移行为、器件服役行为的有效调控，以及在空间多尺度上实现相界优化、晶界以及点缺陷钝化。目前，石墨炔材料在针对光电能量转换器件的精准界面工程策略中已被证实显现出了巨大且独特的优势。
鉴于此
，北京科技大学康卓副教授与张跃院士将石墨炔材料引入到氧化锡电子传输
层中，从石墨炔对氧化锡自身电输运性能优化、能带结构优化、界面诱导高质量钙钛矿生长以及对钙钛矿界面处缺陷钝化等方面实现了氧化锡电子传输层与钙钛矿之间的全方位匹配。实验结合理论证实了该策略对光伏性能的大幅度改善并揭示了相应工作机制。本文第一作者为北京科技大学张随财博士。
高质量石墨炔对氧化锡电子结构的调控：石墨炔通过抬升氧化锡的导带位置实现与钙钛矿材料能带结构的匹配，且炔键与氧化锡桥氧原子形成的碳-氧σ键有效提升了氧化锡的电子迁移率，从而使电子的抽取与输运得到了进一步优化。
▲图1（a）石墨炔Raman谱；（b）氧化锡UPS谱；（c）氧化锡与钙钛矿能带匹配示意图；（d）氧化锡电子迁移率测试；石墨炔-氧化锡异质结构电子密度差分侧视图（e）与电子局域方程侧视图（f）。
石墨炔改性界面诱导钙钛矿生长并钝化钙钛矿缺陷：石墨炔修饰氧化锡界面与DMF溶液接触角增大，有效抑制了钙钛矿结晶过程中的异质形核，从而使高质量钙钛矿薄膜具有更少的晶界及更低的缺陷态密度。同时，在钙钛矿服役过程中对其界面铅-碘反型缺陷的钝化效果得到了充分的验证。
▲图2（a）氧化锡界面与DMF溶液接触角测试；（b-c）钙钛矿薄膜GIWAXS；基于氧化锡（d）和石墨炔掺杂氧化锡（e）钙钛矿薄膜表面电势与光强的关系；（f）钙钛矿薄膜表面光电压与光强的关系；（g）钙钛矿薄膜SCLC测试；（h）石墨炔钝化Pb-I反型缺陷钙钛矿薄膜的导带底等值面图。
钙钛矿光伏电池性能以及载流子动力学：光电转换效率得到了10%的提升，迟滞因子从7.6%下降为3.1%，且稳定性亦得到了相应的提高。并从钙钛矿薄膜载流子寿命延长以及光伏器件内部载流子复合减少等角度阐明其光伏性能增强的原因。
▲图3（a）光伏电
池J-V曲
线；（b）光伏电池稳态输出测试；（c）光伏电池长期稳定性测试；（d）光伏电池电流迟滞测试；（e）钙钛矿薄膜的TRPL谱；（f）光伏电池开路电压与光强的关系。
本工作利用多功能石墨炔全方位、多角度解决了钙钛矿光伏电池低温SnO
2
电子传输层与钙钛矿间的匹配问题。充分展示了石墨炔材料在钙钛矿光伏电池中的巨大应用潜力与前景，为光电能量转换器件的精确界面设计提供了全新思路。
