第一作者：Martin Stolterfoht, Christian M. Wolff

通讯作者：Martin Stolterfoht, Thomas Unold, Dieter Neher

通讯单位：德国波茨坦大学，柏林赫尔姆霍尔茨涅特中心，英国斯旺西大学

研究亮点：

1.    采用绝对光致发光成像首次观察到非辐射复合现象。

2.    利用界面层抑制电荷的界面复合，提高电池性能。

钙钛矿太阳能电池的性能主要受到非辐射复合的限制，无论是通过吸收层中的陷阱复合，还是通过钙钛矿/传输层界面处的少数载流子复合。为了进一步弄清这些复合的内在因素，迫切需要详细研究非辐射复合损失以及哪种界面是限制电池效率的瓶颈。

有鉴于此，Martin Stolterfoht等人采用瞬态和绝对光致发光成像技术来观察有机电荷传输层的所有非辐射复合途径。

图1 电池结构图和能级分布

研究发现钙钛矿体相中存在明显的准费米能级分裂损耗和界面额外自由能损失。通过引入界面层，大面积器件的效率超过20%，开路电压高达1.17 V。

研究人员采用的是平板型钙钛矿太阳能电池的结构进行研究。通过研究不同电池的电极宽度对效率影响，发现电极的宽度越宽，效率会有稍微降低（ITO的电阻为10 Ω sq−1）。

图2 电极的优化设计

图3 传输层对电荷重组动力学的影响

研究人员使用稳态和时间分辨光致发光（PL和TRPL）光谱来确定电池中非辐射复合损失的起源。值得注意的是，在钙钛矿吸收层和钙钛矿/电荷传输层异质结组成的样品堆叠中，确定了重组动力学和准费米能级分裂（QFLS）。同时将这种限制确定为空穴传输层的异质结处的少数载流子复合。发现这些损耗在电子和空穴传输层界面处均存在。

图4 非辐射性界面电荷复合的可视化图像

为了进一步阐明界面优化与钙钛矿的体相优化相关的重要性，研究人员用数值模拟了一个电池的开路电压（Voc），通过改变界面的复合速率和使用流扩散模拟器测量钙钛矿的体相寿命。我们观察到Voc完全受到界面的限制，而由于快速的界面复合，任何体相的优化都会受到损失。因此，非常有必要系统地改善电池的界面。

图5 界面层抑制电荷界面复合

当在PTAA和钙钛矿间引入PFN-P2界面层，以及钙钛矿和C60层之间的插入超薄LiF层时，这均会使得非辐射界面复合损失大大减少，QFLS和电池效率的提高最为明显。

图6 效率为20 %的1 cm²面积的电池

正如QFLS分析所期望的，通过引入LiF层，电池的VOC显著增加到1.17 V，将1 cm2活性面积的电池效率提升到20%，并且无回滞现象。

总之，本文采用发光成像首次观察到钙钛矿太阳能电池的非辐射复合现象，并在上下电荷传输界面分别引入界面层，进而提升电池性能。

参考文献：

Stolterfoht, M., Wolff, C. M. et al. Visualization and suppression of interfacial recombination for high-efficiency large-area pin perovskite solar cells. Nat. Energy.

Doi:10.1038/s41560-018-0219-8

https://doi.org/10.1038/s41560-018-0219-8