钙钛矿太阳能电池（PSCs）将高效率和低成本有机结合起来，是最受关注的新型太阳能电池体系之一。作为高效PSCs的重要组成部分，电子传输材料（ETMs）对电荷的传输、分离和收集起着重要作用。在众多纳米结构中，一维阵列结构（1D）在理论上能够为载流子传输提供一个高速通道，有效加速载流子输运与分离，有望获得优异的器件性能。然而，基于1D ETMs的太阳能电池体系，包括钙钛矿太阳电池的性能一直明显落后于正常结构的电池性能。一维材料的理论优势能否在太阳能电池器件中得到实验验证，是一个值得深入探讨的问题。

近日，中国工程物理研究院化工材料研究所吕银花博士后、张文华研究员等在Angewandte Chemie International Edition上发表了基于新型一维锐钛矿相TiO₂纳米金字塔阵列结构的钙钛矿太阳电池的论文：“High‐Efficiency Perovskite Solar Cells Enabled by Anatase TiO2 Nanopyramid Arrays with an Oriented Electric Field”。作者通过水热法制备出具有高度有序的锐钛矿结构1D TiO₂纳米金字塔单晶阵列结构，并将其应用于PSC中，创造了~22.5%的转化效率，比此前一维阵列结构电池的效率提升2% 以上，这也是目前基于1 D 结构钙钛矿电池的最高效率。

本文要点：

      1）相比于金红石相TiO₂, 锐钛矿相TiO₂具有更加匹配的能级结构、更好的电子传输性能；

      2）高度结晶的微观结构能够有效降低ETMs中的缺陷态密度、载流子复合位点；

3）一维有序纳米结构具有显著的陷光效应，增加光的透过率，有助于提升钙钛矿吸光材料对光的利用率；

      4）一维阵列结构可以为电荷传输提供一个快速传导通道，抑制电子与空穴间的复合几率；

5）TiO₂纳米金字塔具有取向性的电场分布，加速电荷的分离，使电子快速传输至阴极，而空穴传输至阳极，极大地降低了载流子复合机率。

通过组装钙钛矿太阳能电池器件，首次在实验上验证了以为纳米阵列结构在获得高效光电器件中的优势，并创造在以为一维纳米阵列结构的钙钛矿电池的最高效率，具有完全能够与介观结构和平面结构钙钛矿电池相媲美的器件性能。

图1  TiO₂-NPys的微观结构表征：a) XRD；b) Raman; c) SEM表面图像；d) SEM截面图像；e) 低倍TEM图像；f) HRTEM图像；g) SAED图像。

图2  基于不同基底的钙钛矿薄膜的a) 稳态PL；b）TRPL。c)（A）理论模拟的TiO₂-NPys的等电势图；d)（A）TiO₂-NPys沿着Z轴的电势结果示意图。

图3  基于金红石相TiO₂纳米锥阵列（A）TiO₂-NPys与（R）TiO₂-NCs的最优器件的性能：a) J-V曲线；b) EQE；c) 稳态曲线；d) PCE的统计分布图（每类器件的数目为50）。

图4  a）基于（A）TiO₂-NPys与（R）TiO₂-NCs薄膜的UV-Vis透过率；b) SCLC，器件结构为FTO/TiO₂/PCBM/Au：c) 器件的能级结构示意图; d) Mott-Schottky 图。基于（A）TiO₂-NPys与（R）TiO₂-NCs的钙钛矿薄膜的e) PL；f) TRPL.

图5 基于（A）TiO₂-NPys与（R）TiO₂-NCs的器件：a) IMPS图；b) IMVS; c) EIS; d) V_OC-光强变化曲线。

该工作中，博士后吕银花与博士生袁瑞涵为共同一作，吴义辉博士、乔启全教授、张文华研究员为共同通讯。

High‐Efficiency Perovskite Solar Cells Enabled by Anatase TiO₂ Nanopyramid Arrays with an Oriented Electric Field （Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 201915928）

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201915928.