第一作者：Yang Li、Li Ji、Rugeng Liu
通訊作者：Hsien-Yi Hsu、Li Ji、Xingli Zou
通訊單位：香港城市大學、德州大學奧斯汀分校、上海大學
核心內(nèi)容：
總結了7種高效制備甲胺基鈣鈦礦太陽能電池的界面工程策略。包括增加添加劑，構筑自組裝單分子層，溶劑工程，熱力學工程，界面修飾，組分工程和濕度控制。
鈣鈦礦太陽能電池由于其優(yōu)異的光電性質和高達23.3%的光電轉換效率近年來備受關注。目前有機無機雜化型鹵素基鈣鈦礦電池主要包括甲咪基和甲胺基兩大類。甲胺基鈣鈦礦是目前研究最為透徹的一類鈣鈦礦材料，它具備高吸光系數(shù)、長程激子遷移率，良好的載流子運輸能力和低的激子結合能等性質。在甲胺基鈣鈦礦電池制備過程中，獲得高質量的鈣鈦礦活性層薄膜一直是實驗工作者夢寐以求的目標。
有鑒于此，香港城市大學徐先億、德州大學奧斯汀分校Li Ji、上海大學Xingli Zou團隊合作，綜述討論了如何通過界面工程制備高效甲胺基鈣鈦礦電池。
圖1 界面工程七大策略可提升電池的效率，同時增加穩(wěn)定性
文章首先回顧了太陽能電池的發(fā)展歷史和器件結構的演化進程，結合近年來該類鈣鈦礦電池效率突飛猛進的研究背景指出：界面工程是一種獲得高結晶度、低缺陷鈣鈦礦薄膜，同時通過改變能級匹配，增強鈣鈦礦層自身電荷和空穴的傳輸能力從而制備高效鈣鈦礦太陽能電池的關鍵策略。
圖2 甲胺基鈣鈦礦結構（左），甲胺基鈣鈦礦電池通過溶劑制備的兩大方法（右）
圖3 鈣鈦礦電池三大結構（左）和增加界面修飾層修飾后的鈣鈦礦電池結構（右）
圖4 界面工程可以改變鈣鈦礦層間的歐姆接觸從而使能級更加匹配
其次，作者詳細討論了增加添加劑，構筑自組裝單分子層，溶劑工程，熱力學工程，界面修飾，組分工程和濕度控制七種界面修飾手段，分析得出：界面工程一方面可以增大鈣鈦礦薄膜的晶粒，利于純相形成，減少表面孔洞從而獲得平整致密鈣鈦礦層；另一方面能夠增加鈣鈦礦層和電子或空穴傳輸層之間的界面接觸，進而減少載流子復合，延長激子移動的距離，從而制備高效穩(wěn)定的鈣鈦礦電池。
值得注意的是，作者著重論述了自組裝單分子層（SAMs）在鈣鈦礦電池界面修飾中的應用。SAMs 最早被使用在配位化學中，并在有機太陽能電池的構筑中發(fā)揮過重要作用，而如今它被更多的用在鈣鈦礦的上下表面。
圖5 自組裝單分子層在鈣鈦礦下表面和氧化鋅（左）和氧化鎢（右）分別形成配位鍵
單分子層中的親水化學集團和鈣鈦礦分子結合形成配位鍵，能有效增加了界面的歐姆接觸，進而增加載流子的傳輸；同時，單分子層的引入使鈣鈦礦層界面的平滑度增強，接觸角變大，孔洞和缺陷態(tài)減少從而使鈣鈦礦層的界面性質大幅提升。除此之外，SAMs 的使用也改變了鈣鈦礦層和載流子傳輸層之間的能級匹配，同時增大了材料的吸光范圍，有利于器件電流和填充因子的增加。
除了介紹常見的界面修飾策略，文章還強調了溫度和濕度對電池效率和穩(wěn)定性會產(chǎn)生巨大影響，過高的溫度和濕度會破壞鈣鈦礦界面和晶型并發(fā)生化學反應，因此在制備電池過程中嚴格控制條件使鈣鈦礦免受溫度和濕度干擾，能夠有效避免副反應發(fā)生從而保護鈣鈦礦本身，是高穩(wěn)定性器件制備的關鍵。
圖6 溫度改變使甲胺基和甲咪基鈣鈦礦薄膜得晶型和表面性質發(fā)生改變（左），濕度過高使鈣鈦礦分解的反應過程（右）
最后，文章總結指出，目前已報道的界面工程技術只能在特定的步驟和苛刻的條件下才能使用，這限制了它的發(fā)展，因此研發(fā)全新的界面工程技術對構筑高效鈣鈦礦電池顯得至關重要。與此同時，界面修飾的機理到現(xiàn)在依然沒有被解釋清楚，有待進一步被研究，計算和實驗結合或許是打開這扇門的一把鑰匙！
參考文獻：
DOI: 10.1039/C8TA04120B
http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/ta/c8ta04120b
