反式钙钛矿太阳能电池（Inverted Perovskite Solar Cells，IPSCs）是一种新型太阳能电池技术，其制备方法是将常规钙钛矿太阳能电池中的阳极和阴极位置倒置。IPSCs相较于常规的PSCs，其电荷传输效率以及电池整体的光电转换效率都显著提高。此外，IPSCs还具备良好的相容性、对水氧低敏感性以及工作温度范围宽等诸多优势，对于推动钙钛矿太阳能电池的商业化进程至关重要。
钙钛矿吸收层与空穴传输层之间界面的相互作用是影响钙钛矿电池稳定性的关键因素。对此，戚亚冰教授研究团队制备了一种类石墨烯共轭结构的自锚式苯并[rst]五酚（SA-BPP）分子，用以替代传统的三苯胺和咔唑基的空穴选择性分子，成功开发了新型的空穴选择性接触层。研究表明，使用SA-BPP制备的IPSCs具有更高的光稳定性和光电转换效率。此外，SA-BPP分子结构中的锚定基团还可促使ITO基底上形成大规模的均匀的空穴接触，并有效地钝化钙钛矿吸光层。
图1. BPP和SA-BPP分子的化学结构，以及SA-BPP空穴选择性接触的示意图。
为进一步研究新型SA-BPP分子的电学性能以及解析IPSCs的工作原理，该项工作借助紫外光电子能谱（UPS）和低能反光电子能谱（LEIPS）对样品的高占据分子轨道（Highest Occupied Molecular Orbital，简称HOMO）和低未占分子轨道（Lowest Unoccupied Molecular Orbital，简称LUMO）能级进行了详尽表征，结果如图2所示。UPS结果显示BPP和SA-BPP的电离势（Ionization Potential）分别为5.05 eV和5.24 eV，相较于钙钛矿（CsFAMAPbI3）薄膜的VBM（价带顶）各自提升了0.41 eV和0.22 eV。结合LEIPS分析，成功获取了BPP和SA-BPP的带隙，分别为2.84 eV和2.78 eV。由于SA-BPP的带隙更窄，加速了载流子的迁移，从而提升了太阳能转化为电能的转换效率。此外，SA-BPP分子中吸电子基团苯甲酸酯的存在降低了其本身的电子密度，导致HOMO能级也随之降低，这点从LEIPS结果得到进一步证实。再者，与BPP和纯ITO相比，SA-BPP的功函数更大，也很大提升了钙钛矿吸光层与空穴接触层之间载流子的传输效率。种种结果表明，采用SA-BPP制备的IPSCs性能更优。
图2.（a）ITO、ITO/BPP、ITO/SA-BPP与（b）CsFAMAPbI3薄膜的UPS谱图；（c）ITO/BPP、ITO/SA-BPP的电子能带结构；（d）ITO、ITO/BPP、ITO/SA-BPP和钙钛矿CsFAMAPbI3薄膜的能级图，EF红色虚线表示。
LEIPS为深入理解材料性能和器件构效关系提供了重要指导，有助于进一步提高钙钛矿太阳能电池的使用寿命和运行稳定性，推动其商业化应用。此外，LEIPS结合UPS能够直接对半导体材料的电学带隙进行表征，可被广泛应用于研究材料的掺杂状态、电子器件的表/界面能级工程、材料的电荷转移和载流子传递行为等。
参考文献
[1]. T. Wu, X. Xu, L. K. Ono, T. Guo, S. Mariotti, C. Ding, S. Yuan, C. Zhang, J. Zhang, K. Mitrofanov, Q. Zhang, S. Raj, X. Liu, H. Segawa, P. Ji, T. Li, R. Kabe, L. Han, A. Narita, Y. Qi, Graphene-Like Conjugated Molecule as Hole-Selective Contact for Operationally Stable Inverted Perovskite Solar Cells and Modules. Adv. Mater. 2023, 35, 2300169. https://doi.org/10.1002/adma.202300169
-转载于《PHI表面分析 UPN》公众号
