金屬氧化物（比如TiO2、SnO2等）長期被視為電子傳輸層的優選材料。然而，基於金屬氧化物電子傳輸層的正式結構錫基鈣鈦礦太陽能電池（nip-type TPSCs）的光電轉換效率始終處於比較低的水平。
近日，復旦大學材料科學系梁佳課題組揭示了這一低效能瓶頸的主要原因，認為金屬氧化物電子傳輸層中的氧空位和更深能級是導致效率不高的關鍵因素。為了解決這些問題，課題組提出了一種新型金屬硫族化物電子傳輸層材料，特別是金屬混合硫族化合物Sn(S0.92Se0.08)2，成功改善了這些不足。研究表明，Sn(S0.92Se0.08)2能夠有效避免氧分子從氧空位中的解吸，並阻礙Sn2+的氧化；同時Sn(S0.92Se0.08)2展現出較淺的能帶結構，進一步提高了TPSCs的光電效能。與傳統金屬氧化物電子傳輸層相比，基於Sn(S0.92Se0.08)2的TPSC的開路電壓（Voc）從0.48 V提升至0.73 V，光電轉換效率（PCE）從6.98%提升至11.78%。此外，這種新型TPSC在穩定性方面也表現優異，在1632小時的測試中，效率仍保持在95%以上。
相關研究成果以“Metal chalcogenide electron extraction layers for nip-type tin-based perovskite solar cells”為題，發表在Nature Communications (https://doi.org/10.1038/s41467-024-53713-4)。復旦大學材料科學系李天朋博士生和東華大學材料學院李斌博士為共同第一作者，梁佳青年研究員為通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金、上海市科委等專案的資助和支援。
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https://doi.org/10.1038/s41467-024-53713-4
圖1 TiO2電子傳輸層中氧空位誘導錫基鈣鈦礦薄膜埋底介面的氧化。
圖2 金屬硫族化物電子傳輸層與錫基鈣鈦礦薄膜的能級更匹配；同時金屬硫屬化物電子傳輸層具有更高的光線透過率和電子遷移率
該研究不僅揭示了金屬氧化物電子傳輸層影響光電效能的潛在機制，還為未來TPSCs的產業化提供了有力的技術支撐。首先，課題組證實了氧分子從TiO2中的氧空位中解析的過程，並且原位跟蹤了錫基鈣鈦礦中Sn2+轉化為Sn4+的過程（圖1）。其次，研究還證明了TiO2電子傳輸層較深的能級結構，並透過實驗和理論分析明確指出，深能級是導致較低VOC的主要原因。為此，課題組在TPSCs中引入了金屬硫族化合物Sn(S0.92Se0.08)2電子傳輸層。該材料不僅避免了氧分子解吸，還擁有更淺的導帶底、優異的表面形貌、更高的導電性及更強的電子遷移率（圖2）。
圖3 金屬硫族化合物電子傳輸層與錫基鈣鈦礦埋底介面的強相互作用抑制了錫基鈣鈦礦薄膜氧化
圖4 基於金屬硫族化物電子傳輸層的TPSC的光伏效能
此外，研究還表明，金屬硫族化合物與錫基鈣鈦礦之間存在較強的相互作用，這種相互作用顯著促進了兩者之間載流子的高效、快速傳輸（圖3）。最後，課題組成功製備了基於金屬硫族化合物Sn(S0.92Se0.08)2電子傳輸層的TPSC，實驗結果顯示，電池效能得到了顯著的提升（圖4）。該研究突出了金屬硫族化物作為電子傳輸層在提升TPSC效能方面的巨大應用潛力，有望有效解決錫基鈣鈦礦太陽能電池在效率和穩定性方面的瓶頸，為未來相關技術的產業化奠定基礎。
本文來自：復旦大學。
