无水PEDOT:PSS配方在Pb–Sn混合钙钛矿单结及全钙钛矿串联太阳能电池中的应用

《Solar RRL》：Water-Free PEDOT:PSS Formulation for Pb–Sn Mixed Perovskite Single-Junction and All-Perovskite Tandem Solar Cells

钙钛矿太阳能电池中采用水稳定的PEDOT:PSS HTL4层，通过降低PSS含量提升表面水疏性，改善电荷传输和结晶质量，使单结效率提升6%，并增强所有钙钛矿叠层电池的稳定性和性能。

　　近年来，混合铅锡（Pb–Sn）窄带隙（NBG）钙钛矿太阳能电池在效率和稳定性方面取得了显著进展。从2014年首次出现以来，这类太阳能电池已经实现了超过23%的功率转换效率（PCE），并逐渐扩展到全钙钛矿叠层结构中，目前最高效率已达到29%。这些进步得益于对吸收层钝化和界面工程的深入研究。然而，尽管PEDOT:PSS因其良好的导电性和空穴选择性被广泛用于空穴传输层（HTL），但其水基加工方式在惰性手套箱环境中存在兼容性问题，且其酸性和吸湿性会损害底层钙钛矿，影响器件的长期稳定性。为此，研究团队开发了一种基于邻甲氧基苯的新型PEDOT:PSS材料（HTL4），通过减少PSS含量，提高了材料的疏水性，并改善了钙钛矿薄膜的形成质量。

HTL4的引入显著提升了钙钛矿太阳能电池的性能。通过接触角测量和X射线光电子能谱（XPS）分析，发现HTL4的疏水性明显优于传统PEDOT:PSS，且其表面化学环境发生了变化。这些改进有助于钙钛矿在HTL上的更均匀覆盖，减少非连续层带来的缺陷，从而降低非辐射复合的概率。此外，XPS和DRIFTS分析表明，HTL4的分子结构和化学组成与传统PEDOT:PSS存在差异，这进一步支持了其在提高器件性能方面的潜力。

在钙钛矿薄膜的结构表征方面，X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）结果揭示了HTL4对钙钛矿结晶性的促进作用。HTL4的应用使得钙钛矿薄膜的晶粒和晶粒尺寸增大，减少了晶界数量，从而降低了非辐射复合的几率。同时，SEM图像显示HTL4层在厚度分布上更加均匀，避免了传统HTL可能存在的不均匀覆盖问题。这些结构上的优化不仅提高了钙钛矿薄膜的质量，还增强了其在器件中的稳定性。

在电学性能测试中，研究团队对使用HTL4的单结太阳能电池和全钙钛矿叠层电池进行了系统评估。结果显示，HTL4在多个关键性能指标上优于传统PEDOT:PSS。例如，通过稳态光致发光（PL）测量，HTL4在窄带隙钙钛矿薄膜上表现出更高的隐含开路电压（iVOC），并且在26 nm厚度的HTL4层中，iVOC提升了60 mV。这种提升归因于HTL4的优异空穴选择性和较低的串联电阻（RS），从而提高了填充因子（FF）和整体效率。相比之下，传统PEDOT:PSS材料由于其较高的水含量和酸性，导致性能不稳定，特别是在高湿环境下。

进一步的电流-电压（JV）分析表明，HTL4不仅提升了iVOC，还降低了串联电阻，使填充因子显著提高。对于全钙钛矿叠层结构，HTL4的使用使得器件在长期存储后仍能保持较高的稳定效率，而传统HTL材料的效率则下降了超过27%。这些结果表明，HTL4在提升器件稳定性和效率方面具有显著优势。

此外，最大功率点跟踪（MPP）测试也证实了HTL4在器件性能上的优越性。与传统PEDOT:PSS相比，HTL4器件在MPP测量过程中表现出更稳定的输出电流密度（JMPP），且在960秒内效率衰减较小。这说明HTL4能够有效减少电荷传输损失，提高器件的长期稳定性。

在实验方法方面，研究团队详细描述了HTL4的制备和应用过程。通过调整旋涂速度和溶液浓度，实现了对HTL4厚度的精确控制。同时，通过对比不同厚度的HTL4对钙钛矿薄膜性能的影响，发现更薄的HTL4层在提升iVOC和器件效率方面表现更佳。这为后续的器件优化提供了重要依据。

综上所述，HTL4作为一种新型的PEDOT:PSS材料，不仅解决了传统材料在水基处理和器件稳定性方面的局限，还显著提升了钙钛矿太阳能电池的效率和性能。其在全钙钛矿叠层结构中的应用表明，HTL4具有良好的兼容性和稳定性，为未来钙钛矿太阳能电池的发展提供了新的方向。通过进一步的实验优化和大规模生产验证，HTL4有望成为下一代高效、稳定钙钛矿太阳能电池的关键组件之一。