钙钛矿材料在过去几年吸引了大量科研团队的注意力。这些材料由于具有极好的光电特性，在太阳能电池应用方面取得了不可思议的进步，实现了高达22.7%的认证光电转换效率（PCE）。这些进步主要是基于界面工程、成分工程、结晶工程、添加剂工程以及钝化技术等方面的一系列突破。不过，在钙钛矿太阳能电池商业化之前，很多挑战仍需要解决，比如器件稳定性、扩展性、迟滞效应以及制备时间及成本。其中，平面异质结的器件在大规模制备方面明显优于传统结构的介孔器件，成本更低制备更快，这对于实际应用是一大优势。但是，平面钙钛矿器件却存在迟滞效应及稳定性的问题。
近期的研究表明，使用富勒烯类分子PCBM及C60作为平面钙钛矿太阳能电池的电子传输层，可制备高效无迟滞的器件。但是，器件稳定性仍然存在很大挑战。在正常器件结构中，因为具有非常好的能级匹配，TiO2是最常规的电子传输层。但是，基于TiO2器件的电子迁移率却相对较低，这使得与钙钛矿层的电荷分离不充分。为了克服TiO2的局限，之前报道了很多策略，包括用无机元素掺杂TiO2或者用富勒烯氧化物及PCBM钝化TiO2表面，不过这些措施不足以制备理想的平面钙钛矿电池。近日，麻省理工学院（MIT）Jing Kong教授与Mohammad Mahdi Tavakoli博士等研究者找到了一种新的解决方案。他们在TiO2与钙钛矿之间插入非晶SnO2（a-SnO2）层，这种TiO2致密层（c-TiO2）和a-SnO2的双层电子传输层结构，使得钙钛矿电池器件获得高达19.33％的PCE，开路电压（Voc）和稳定性都获得提高，同时迟滞效应几可忽略。
图1. a）a-SnO2上层扫描电镜图。b）XRD图。c）界面扫面电镜图。d）器件示意图。e）截面电镜以展示钙钛矿层与FTO玻璃直接接触。图片来源：Adv. Energy Mater.
由于a-SnO2的非晶性质，扫描电镜图只有FTO的晶粒可见（图1a）。在FTO上的a-SnO2薄膜并不平整，如红色圈出的区域，钙钛矿薄膜可能会与FTO玻璃直接接触，这样会导致器件的重复性出现问题（图1e）。为了解决这个问题，作者在a-SnO2与FTO玻璃之间沉积了一层薄的c-TiO2（图1c）。通过利用c-TiO2层，不仅可以充分利用a-SnO2层良好的电荷抽取能力，还可以解决粗糙FTO玻璃表面a-SnO2的均一性问题（图1d）。
图2. 钙钛矿薄膜的光学测试。a）紫外吸收及荧光。 b）时间分辨荧光。图片来源：Adv. Energy Mater.
光学测试结果表明，a-SnO2比c-TiO2具有更好的电子传输能力，而双层电子传输层具有与a-SnO2类似的电荷传输能力（图2a）。从图2b可以看出，双层界面及a-SnO2界面的电荷传输更快，这些数据也支持双层电子传输层及a-SnO2界面优良的传输性能。
基于这种双层电子传输层，作者制备了钙钛矿太阳能电池器件并测试了它们的性能。数据表明（图3a及表1），双层电子传输层能够使得钙钛矿电池的效率大增，主要体现在填充因子（FF）的明显提高。而且，双层电子传输层的器件有较为稳定的功率输出（图3b），外量子效率（EQE）也可达到最大值（图3c），同时还具有良好的稳定性（图3d），这些性能都优于传统的单层结构。
图3. a）J-V曲线。b）最大功率随时间变化。c）外量子效率曲线。d）稳定性曲线。图片来源：Adv. Energy Mater.
表1. 器件效率参数表。图片来源：Adv. Energy Mater.
本文采用双层结构的电子传输层制备了高效稳定的钙钛矿太阳能电池器件，获得了不错的性能数据。但是双层电子传输层势必会增加制备成本，况且双层电子传输层这个概念本身并不新鲜，在较早时候就已经被报道过。相比之下，本文的较高PCE更受人关注。未来的研究，如果能合成一种更加简单的电子传输材料来解决电子传输层的问题，那将会带来巨大的进步。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Surface Engineering of TiO2 ETL for Highly Efficient and Hysteresis-Less Planar Perovskite Solar Cell (21.4%) with Enhanced Open-Circuit Voltage and Stability
Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201800794
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