学术报告

作者和研究机构信息

这项研究的主要作者包括 Shuai You、Haipeng Zeng、Zhiliang Ku、Xiaoze Wang、Zhen Wang、Yaoguang Rong、Yang Zhao、Xin Zheng、Long Luo、Lin Li、Shujing Zhang、Min Li、Xingyu Gao 和 Xiong Li。研究完成于以下机构：Michael Grätzel Center for Mesoscopic Solar Cells (所属华中科技大学光电国家实验室)，武汉理工大学先进材料合成与加工技术国家重点实验室，中国科学院过程工程研究所多相复合系统国家重点实验室，以及上海光源 (Shanghai Synchrotron Radiation Facility)。文章发表于期刊《Advanced Materials》，发布日期为2020年。

研究背景与目的

钙钛矿太阳能电池 (Perovskite Solar Cells, PSCs) 是近年来备受关注的光伏技术之一，主要得益于其高光电转换效率 (Power Conversion Efficiency, PCE) 和简化的溶液制备工艺。然而，对于常见的基于介孔TiO2电子传输层 (mesoporous TiO2 electron-transport layer, ETL) 的器件，其高温制备工艺（>450 ℃）带来了复杂的工艺和高能耗问题，同时也限制了PSCs在柔性电子设备上的应用。

低温工艺的平面结构PSCs (planar-structured PSCs) 提供了一种更为简单和节能的解决方案，其中SnO2被认为是理想的ETL材料。一方面，SnO2具有高达240 cm² V⁻¹ s⁻¹的电子迁移率和与混合阳离子钙钛矿良好的能带对齐 (band alignment) 特性；另一方面，其低温 (<150 ℃) 制备工艺也契合了柔性设备的需求。然而，SnO2层与钙钛矿层的界面缺陷以及SnO2纳米粒子的团聚问题限制了器件的性能和稳定性。本研究的核心目的是通过一种生物聚合物硫酸肝素钾 (Heparin Potassium, HP) 来调控SnO2纳米晶的排列和稳定性，从而优化ETL与钙钛矿层之间的界面接触，以构造高效、稳定的平面结构钙钛矿太阳能电池。

研究流程与方法

本研究分为以下几个主要步骤：

1. SnO2胶体分散液的制备与稳定性增强

作者使用商业化的SnO2胶体分散液（15%浓度）作为基础材料，通过稀释制备出约2.67%的分散液。发现未经改性处理的SnO2分散液在保存72小时后出现浑浊和团聚现象，并通过Zeta电位和粒径分布分析发现，SnO2纳米粒子的电势不足以抵抗范德华力而导致团聚。为解决这一问题，作者引入硫酸肝素钾 (HP) 作为稳定剂，其特点是高负电荷密度以及与Sn原子的良好配位能力。在加入6 mg·ml⁻¹的HP后，分散液的Zeta电位从-20.4 mV显著提升到32.3 mV，并长期保持稳定。

2. SnO2/HP薄膜的制备与表征

研究进一步验证了HP对SnO2纳米晶排列的调控能力。在改性后的SnO2溶液中，作者通过旋涂法在150 ℃的温度下制备薄膜。通过透射电子显微镜 (TEM) 和原子力显微镜 (AFM) 分析，结果显示，SnO2–HP薄膜的晶粒间距更为均匀，晶粒尺寸大幅扩大至40–50 nm。

同步辐射散射分析（GIXRD）显示，SnO2–HP薄膜暴露了更多的（101）面，并呈现更有序的晶体排列。此外，通过接触角测量分析发现，SnO2–HP薄膜表面的自由能较纯SnO2薄膜增加，表现出更好的亲水性，这有助于钙钛矿晶体的均匀成核和生长。

3. 钙钛矿层的沉积与晶体结构优化

研究在不同ETL上沉积钙钛矿光吸收层，发现SnO2–HP薄膜上的钙钛矿层表现出垂直有序的晶体生长，而在纯SnO2薄膜上则是无方向性的随机分布。作者通过傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 和X射线光电子能谱 (XPS) 确定了HP的分子功能基团（如–COO⁻ 和 –SO3⁻）在SnO2晶体和钙钛矿晶体之间充当了“桥梁”，有助于增强界面接触。

此外，通过稳态光致发光 (PL) 和时间分辨光致发光 (TRPL) 分析发现，钙钛矿层在SnO2–HP薄膜上的电子提取效率远高于纯SnO2层。

4. 器件的制备和性能测试

基于ITO/SnO2–HP/钙钛矿/SpOiro-OMeTAD/Au结构制备了PSCs器件，并对HP浓度进行了优化测试。结果表明，当HP浓度为6 mg·ml⁻¹时，器件达到了最佳性能，平均效率为23.03%，而未改性SnO2器件的效率仅为20.77%。强大的界面结合效果改善了电荷提取，降低了复合损耗。

主要研究结果

1. 分散液稳定性：HP成功地稳定了SnO2胶体分散液，显著提高了纳米晶分散的均匀性并抑制了团聚现象。
2. 薄膜结构优化：SnO2–HP薄膜显示了更大的晶粒尺寸和更有序的排列，能够诱导钙钛矿层的垂直晶体生长。
3. 器件性能提升：与未改性器件相比，SnO2–HP器件的转换效率提高了约2%，并且稳定性显著增强。在连续1000小时最大功率点 (MPP) 跟踪中保持了初始效率的97%。
4. 柔性器件潜力：研究还扩展到柔性ITO/PET基底，柔性PSCs的效率达19.47%，并在500次弯曲后保持93%的效率。

研究意义与应用价值

本研究从纳米材料稳定性、界面调控及器件优化的关键问题出发，通过引入生物聚合物HP显著提升了SnO2-PSCs的效率和长期稳定性。这一成果为低温PSCs的规模化生产（尤其在柔性和大面积设备领域）提供了新思路，同时也为其他领域中界面工程的优化研究提供了借鉴意义。

研究亮点包括：SnO2纳米晶分散稳定性显著增强、界面结合力的强化、钙钛矿晶体质量的大幅提升，以及器件效率和稳定性的显著改进。

上述研究成果展示了生物聚合物在新能源材料领域的潜在应用，并为未来高效、稳定和低成本太阳能电池的发展奠定了基础。