通过D-A型分子介导的缺陷钝化技术优化全无机CsPbBr?钙钛矿太阳能电池中的界面电荷转移

《Materials Today Energy》：Optimizing Interfacial Charge Transfer in All-Inorganic CsPbBr 3 Perovskite Solar Cells through D-A Type Molecule Mediated Defect Passivation

碳基全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池通过引入B-2TC和B-2,5TC两种D-A型分子材料优化界面，有效减少缺陷密度，抑制非辐射复合，降低开路电压损失，最终实现9.60%的转换效率及1.61V的开路电压。

　　

廖明月|唐胜|刘佳|吴涛|孙伟海|吴吉怀|谢一鸣|卢灿中

教育部环境友好功能材料工程研究中心，华侨大学材料物理化学研究所，中国厦门361021

摘要

基于碳的全无机CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池（PSCs）由于其出色的晶体稳定性和在极端环境条件下的优越载流子传输性能而受到越来越多的关注，尽管其光电转换效率（PCE）仍低于混合PSCs。效率降低的主要原因是钙钛矿吸收层中缺陷密度较高，这阻碍了空穴在碳电极界面的提取，并导致显著的开路电压（V_OC）损失。在这里，我们展示了一种有效的策略来修复钙钛矿表面的缺陷并提高电荷传输性能。具体来说，我们使用了两种供体-受体（D-A）型分子材料B-2TC和B-2,5TC，它们具有有效的分子间相互作用、高载流子迁移率以及所需的光电化学性质，以优化CsPbBr₃/碳界面。经过优化后，获得了具有较低电压损失、抑制非辐射复合和优化能级排列的钝化CsPbBr₃薄膜。因此，这种高质量的低缺陷密度CsPbBr₃ PSCs实现了9.60%的光电转换效率（PCE）和1.61 V的超高空开路电压（V_OC）。我们的发现对于设计表面钝化材料以提高CsPbBr₃ PSCs的性能具有参考价值。

引言

由于有机-无机混合PSCs的环境稳定性有限，基于碳的全无机CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池（PSCs）在高湿度和高温条件下表现出良好的环境耐受性，并具有出色的载流子传输性能，因此在全球范围内非常吸引人[1]、[2]、[3]。然而，基于CsPbBr₃的PSCs的光电转换效率（PCE）仍明显低于其有机-无机混合对应物。这种性能差距主要是由于全无机钙钛矿光活性层中固有的高缺陷密度，这会损害钙钛矿/碳电极界面处的空穴传输，并导致显著的开路电压（V_OC）损失[4]、[5]、[6]。因此，修复钙钛矿表面的缺陷并提高界面处的电荷传输性能是减少CsPbBr₃ PSCs能量损失的有效策略[7]。

电子供体-电子受体（D-A）型分子通过分子内电荷传输（ICT）特性表现出显著的电荷传输性能，而D-A型分子的高吸收率和空穴迁移率可以实现OLED中的快速载流子传输。咔唑是一种具有刚性共轭平面结构、强电子供体能力和易于改性的电子供体，在光电材料中得到了广泛研究，因为它具有理想的热稳定性和长寿命[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。利用其强的电子受体能力、出色的光稳定性和有效的合成方法，三芳基硼被广泛用作电子受体。此外，D-A型分子还具有高溶解度、长稳定性和分子内电子密度分布的优点，使其成为钙钛矿表面钝化的有效候选材料。此外，D和A单元之间的有效分子间相互作用以及D-A型分子中的高载流子迁移率使它们成为有效的表面钝化剂和空穴传输层材料（HTM），从而实现出色的光化学和热稳定性。因此，已经开发了多种用于表面钝化的D-A型分子材料[13]、[14]，并且进一步探索D-A型分子材料以实现高效空穴传输/提取和有效缺陷钝化仍然具有前景[15]、[16]。

3,6-二叔丁基-9-(2-二甲基硼烯基)-3-甲基苯基)-9H-咔唑（B-2TC）和9,9'--(2-二甲基硼烯基)-1,4-苯基)双(3,6-二叔丁基-9H-咔唑）（B-2,5TC）是两种D-A型分子材料，其中D单元是含氮的3,6-二叔丁基咔唑，A单元是含有三芳基硼的硼。这两种D-A型分子易于溶解在有机溶剂中，如氯苯和异丙醇，这些溶剂常用于硫属化合物器件[17]。与B-2,5TC相比，B-2TC表现出高效的蓝色TADF发射特性，其供体部分取代在一个芳香环上并与三芳基硼部分的另一个芳香环平行。由于分子内的D-A相互作用，电荷可以通过芳基连接器和空间进行传输。为了增强分子内的电荷传输能力，基于B-2TC合成了含有两个叔丁基咔唑分子的双供体-供体D-A材料（B-2,5TC）。

在这项工作中，我们通过在所有无机PSCs的CsPbBr₃/碳界面引入两种D-A型小分子B-2TC和B-2,5TC，提出了一种分子界面工程策略。这些分子被专门设计为具有强的分子间相互作用、高载流子迁移率和合适的能级，从而实现对界面的多功能调节。它们的引入显著改善了界面钝化、抑制了非辐射复合并减少了电压损失。与主要关注缺陷钝化或电荷传输的传统界面处理方法不同，我们的B-2TC和B-2,5TC分子被设计为同时提供有效的缺陷修复并主动调节界面带对齐。这种综合方法直接解决了CsPbBr₃/碳界面处的关键能量障碍问题，这是以往研究中通常分别处理的瓶颈，从而提供了一种不同的性能提升策略。所得到的CsPbBr₃薄膜具有较低的缺陷密度和更高效的电荷分离，PSCs实现了9.60%的光电转换效率（PCE）和1.61 V的高开路电压（V_OC）。这项研究展示了一种用于优化无机钙钛矿/碳界面的协同分子设计方法，并为下一代钙钛矿光伏器件中钝化和传输功能的平衡提供了可行的策略。

结果与讨论

咔唑作为一种电子供体，是一种含有氮的杂环单元，具有高载流子传输能力，能够在钙钛矿界面与Pb²⁺缺陷结合，提供钝化效果。三芳基硼是一种常用的电子受体，用于构建D-A型分子。如图1a所示，由于分子内的D-A相互作用，B-2TC和B-2,5TC中的电荷可以通过芳基连接器和空间同时传输

结论

总之，本研究提出了一种分子界面工程策略，有效减少了CsPbBr₃/碳界面处的电荷复合和能量损失，从而提高了所有无机钙钛矿太阳能电池的光电性能。引入D–A型分子B-2,5TC作为界面层不仅改善了界面处的物理接触，还促进了更有利的电荷传输动态并抑制了界面复合

CRediT作者贡献声明

吴吉怀：监督、资源、概念化。孙伟海：监督、资源。卢灿中：监督、资源、资金获取。谢一鸣：资源、资金获取。唐胜：撰写 – 原稿、正式分析、数据管理。廖明月：方法论、数据管理。吴涛：软件。刘佳：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（22271106 和 52073286）、福建物质结构研究所以及中国科学院（20230027）的支持。作者感谢IACHQU提供的测试服务。