近日，英国立博集团智能感知与信息处理团队在钙钛矿太阳能电池的缺陷钝化与性能提升方面取得新进展。相关研究成果以“Trap engineering using oxygen-doped graphitic carbon nitride for high-performance perovskite solar cells”为题发表在Journal of Materials Chemistry C上。
有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PVSC）因其制备工艺简单、光电性能优异和光电转换效率（PCE）高而受到广泛关注。器件采用典型的三明治结构，其中电子传输层（ETL）可以有效地提取光生电荷载流子，对于实现高效率非常重要。目前SnO2由于高透明度，高电子迁移率以及与钙钛矿层出色的能带匹配，已成为高性能平面PVSC中使用最广泛的ETL之一。尽管 SnO2 ETL发展迅速，但它仍然受到 ETL/钙钛矿界面复合问题的困扰，这将影响太阳能电池的PCE等关键参数。SnO2/钙钛矿表界面复合主要来源于两部分：1）未配位的Sn悬挂键或氧空位和2）溶液制备过程中ETL表面形成的-OH基团。两者都是有害的深能级陷阱，会导致非辐射载流子复合并降低器件性能。
针对以上问题，团队研究人员制备了氧掺杂的g-C3N4（简称g-C3N4-O）并用于调控平面PVSCs中ETL的陷阱。研究表明氧被成功掺杂到g-C3N4中，以N-C=O/N=C-O的结构形式取代了N原子位置。与不含或含有纯g-C3N4添加剂的SnO2 ETL相比，新型g-C3N4-O添加剂可以有效地抑制上述两种陷阱的形成。g-C3N4-O在富氧环境下通过与Sn原子的键合钝化SnO2 ETL中的氧空位，并通过与SnO2的-OH形成水分子来减少表面-OH基团。采用陷阱工程钝化ETL的二元MA0.7FA0.3PbI3 PVSCs表现出高光电转化效率和良好稳定性，明显优于对照组器件。该方法以g-C3N4-O作为ETL添加剂，同时减少SnO2 ETLs中Sn悬挂键和表面-OH等陷阱，抑制非辐射复合，并有效调节接触位置能带结构，为提高PVSCs的光伏性能和稳定性提供了一种有效方法。
新型添加剂调控电子传输层和钙钛矿表界面缺陷的机制
英国立博集团理学院2020级硕士研究生雷亚玲为第一作者，理学院谭佐军教授，理学院青年教师雷红伟副教授和武汉工程大学秦平力教授为论文共同通讯作者。此外，团队近期受邀在Materials期刊发表了题为“Lead-free halide double perovskite for high-performance photodetectors: progress and perspective”的综述文章，系统分析了无铅钙钛矿材料和光探测器近年来的发展情况，并对无铅钙钛矿光探测器在生物、农业传感等领域的应用挑战进行了分析和展望。英国立博集团理学院2021级硕士研究生李小燕为该综述文章第一作者，谭佐军教授和雷红伟副教授为论文共同通讯作者。
上述研究得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费项目和湖北省光学信息与模式识别重点实验室开放基金的共同支持。
