文章介绍
自组装单分子膜(SAM)倒置钙钛矿太阳能电池因其高效率和长期运行稳定性而受到广泛关注，但SAMs/钙钛矿界面处的空穴提取效率通常低于电子提取效率。
基于此，南京工业大学陈永华等人报道了通过使用杂环偶极化合物咪唑氢碘化物(ImHI)在SAMs和钙钛矿之间构建一种通用的P型异质界面。研究表明，ImHI与钙钛矿之间通过氢键形成了强相互作用，并且观察到了偶极层的形成。这使得SAMs/钙钛矿异质界面处形成了更多的P型接触，通过降低费米能级、减小能量失配并促进空穴提取，实现了相对较小的能量势垒。通过一系列钙钛矿埋底界面处的SAMs进一步证实了P型接触的增强。因此，实现了具有26.05%光电转换效率的太阳能电池，在充满氮气的手套箱中保持了2000小时后仍维持初始效率的96%，在55℃/55%相对湿度下保持了800小时后仍维持初始效率的94%，以及在最大功率点下连续光照下保持了1000小时后仍维持初始效率的86%。该论文近期以“A universal P-type heterointerface for efficient and stable inverted perovskite solar cells”为题发表在顶级期刊Angewandte Chemie International Edition上。
研究亮点：
提出了一种基于咪唑氢碘化物(ImHI)的通用P型异质界面策略，显著提升了倒置钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。
通过降低能量势垒和加速空穴提取，增强了SAMs(自组装单分子层)与钙钛矿之间的P型接触。
实现了从δ-FAPbI₃到α-FAPbI₃的相变，进一步优化了钙钛矿的光电性能。
器件实现了26.05%的光电转换效率(PCE)，并展现出卓越的运行稳定性，为钙钛矿太阳能电池的商业化应用提供了有力支持。
研究内容：
本研究聚焦于倒置钙钛矿太阳能电池的界面工程，旨在通过构建通用的P型异质界面来提升器件的效率和稳定性。研究团队采用咪唑氢碘化物(ImHI)作为偶极分子，在自组装单分子层(SAMs)与钙钛矿之间成功构建了P型异质界面。
研究意义：
推动钙钛矿太阳能电池技术发展：该研究为解决钙钛矿太阳能电池中空穴提取效率低的问题提供了新的思路和方法，有助于进一步提高器件性能。
提高器件稳定性：通过构建稳定的P型异质界面，显著提升了钙钛矿太阳能电池在不同环境条件下的稳定性，为其商业化应用奠定了基础。
图文信息
图1. 偶极杂环盐诱导的SAMs/钙钛矿异质界面P型接触增强。a) 三种研究的偶极杂环盐的分子结构。图中显示了相应的计算偶极电位(φ)。图中蓝色和红色的强度分别对应正电荷和负电荷的程度。b) Control-pero、MorHI-pero、PyHI-pero和ImHI-pero薄膜的UPS光谱中的次级电子截止区域。c) Control-pero、MorHI-pero、PyHI-pero和ImHI-pero薄膜的UPS光谱的起始区域。d) 通过UPS观察到的Control-pero、MorHI-pero、PyHI-pero和ImHI-pero薄膜的能量偏移。e) 通过DFT计算得到的Control-pero、MorHI-pero、PyHI-pero和ImHI-pero薄膜的能量偏移。f) 锚定在Control-pero、MorHI-pero、PyHI-pero和ImHI-pero上的甲氧基-4-吡啶偶极二羧酸盐(MeO-4PADBC)SAMs的电荷密度差。
图2. 偶极杂环盐诱导的相变。a) 经偶极杂环盐处理的埋底界面的SEM图像。b) 经偶极杂环盐处理的埋底界面的2D GIWAXS图谱。c) 分别为FAI、MorHI/FAI、PyHI/FAI和ImHI/FAI的NMR谱图。图中插入了FA⁺的化学结构。d) 分别为FAI、MorHI/FAI、PyHI/FAI和ImHI/FAI的FTIR图谱。e) Control-pero、MorHI/FAI、PyHI/FAI和ImHI/FAI的Pb 4f XPS图谱。
图3. 载流子动力学研究。a) Control-pero、MorHI-pero、PyHI-pero和ImHI-pero器件的TPC特性。b) Control-pero、MorHI-pero、PyHI-pero和ImHI-pero器件的TPV特性。c) Control-pero、MorHI-pero、PyHI-pero和ImHI-pero的PL特性，其结构为玻璃/SAM/钙钛矿。d) Control-pero、MorHI-pero、PyHI-pero和ImHI-pero的TRPL特性，其结构为玻璃/ SAM/钙钛矿。e) 在100 mW cm⁻²光强下，通过CE测量提取的控Control-pero、MorHI-pero、PyHI-pero和ImHI-pero器件的载流子密度。
图4. 器件性能。a) 性能最佳的Control-pero器件和ImHI-pero器件的J-V曲线。b) 基于不同SAMs处理的ImHI的器件的统计PCE。c) 未封装的Control-pero器件和ImHI-pero器件在充满氮气的手套箱中黑暗条件下储存的稳定性。d) 在白光LED灯(AM 1.5G光照条件)下，封装的Control-pero器件和ImHI-pero器件的热稳定性(55℃)和湿度稳定性(55%相对湿度)。e) 在充满氮气的手套箱中，白光LED灯(AM 1.5G光照条件)下，未封装的Control-pero器件和ImHI-pero器件的操作稳定性。
总之，作者等人采用偶极分子ImHI有效地在SAMs与钙钛矿之间构建了一种通用的P型异质界面。研究表明，ImHI不仅通过降低能量势垒增强了P型接触并加速了空穴提取，还通过与钙钛矿的氢键相互作用促进了从δ-FAPbI₃到α-FAPbI₃的相变。此外，通过一系列钙钛矿埋底界面处的SAMs进一步证实了P型接触的增强。因此，ImHI钙钛矿器件实现了26.05%的光电转换效率(PCE)，并展现出优异的运行稳定性。
器件制备
器件制备：
ITO/SAM/P-type inerface/PVSK/PI/PCBM/C60/BCP/Ag
1.洗干净的ITO玻璃，臭氧20 min，0.3 mg/mL MeO-4PADCB EtOH，4000rpm 30s旋涂，100℃退火10 min;2 mg/mL ImHI, PyHI或MorHI IPA，4000rpm 30s旋涂，100℃退火10 min;
2. FAPbI3 (1.78 M PbI2, 1.75 M FAI, 0.47 M MACl)溶于DMF:DMSO=8:1(v/v)+0.09 mM FAFa，5000rpm 30s旋涂，10s内，600 uL 乙醚反相，100℃退火60 min;
3. 0.6 mg/mL PI IPA，5000rpm 30s旋涂，100℃退火10 min;
4. 2 mg/mL PCBM 6000rpm 30s旋涂，70℃退火5 min;
5. 蒸镀20 nm C60; 5 nm BCP; 95 nm Ag.
