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杂化界面层及其聚合物和无铟钙钛矿太阳能电池

1引言

1.1钙钛矿太阳能电池的背景及发展现状

钙钛矿材料，因其在光伏领域的出色性能而备受关注。自2009年首次被应用于太阳能电池以来，其光电转换效率（PCE）得到了迅速提升，已从最初的3.8%迅速增长到超过25%。这一突破主要得益于钙钛矿材料本身优异的光电特性，如高的吸收系数、长的电荷扩散长度以及可调的带隙等。

钙钛矿太阳能电池的发展经历了几个阶段：从最初的无机-有机杂化钙钛矿，到全有机钙钛矿，再到目前广泛研究的无铟钙钛矿。无铟钙钛矿因具有环境友好、原料成本较低等优点，被认为是未来太阳能电池的重要发展方向。

1.2杂化界面层与无铟钙钛矿太阳能电池的关系

杂化界面层在无铟钙钛矿太阳能电池中起到了关键作用。它不仅能够有效地改善钙钛矿层与电子或空穴传输层之间的界面特性，提高界面处的载流子传输效率，还能增强器件的稳定性，抑制相分离和降解。

在无铟钙钛矿太阳能电池中，杂化界面层的引入可以有效地克服无铟钙钛矿材料本身存在的缺陷，如结晶性差、稳定性不足等问题。因此，研究杂化界面层及其在无铟钙钛矿太阳能电池中的应用，对于提高器件性能和推进产业化进程具有重要意义。

2.杂化界面层的基本原理

2.1杂化界面层的定义及作用

杂化界面层，顾名思义，是一种由两种或两种以上不同性质的材料组成的界面层。在无铟钙钛矿太阳能电池中，杂化界面层起到了至关重要的作用。它不仅能够有效地连接钙钛矿层与电子传输层（或空穴传输层），还可以改善界面间的能级匹配，优化载流子的传输与分离，提高器件的整体性能。

杂化界面层的主要作用有以下几点：

改善界面能级匹配：通过调控杂化层中各组分的比例，可以优化界面间的能级排列，降低界面缺陷态密度，提高载流子的传输效率。

提高界面粘附性：杂化界面层可以增强钙钛矿层与传输层之间的粘附力，提高器件的机械稳定性和耐久性。

抑制界面缺陷：杂化界面层能够有效地钝化界面缺陷，减少非辐射复合，从而提高器件的光电转换效率。

增强器件稳定性：杂化界面层有助于提高钙钛矿太阳能电池在环境因素（如温度、湿度等）影响下的稳定性。

2.2杂化界面层的制备方法

杂化界面层的制备方法多样，主要包括以下几种：

溶液法制备：溶液法是目前应用较广泛的一种杂化界面层制备方法。该方法通常包括将含有不同功能基团的有机分子或聚合物与钙钛矿前驱体溶液混合，通过旋涂、滴涂等方式在基底上形成杂化界面层。

层层自组装技术：层层自组装技术（LBL）通过交替沉积不同性质的聚合物或纳米颗粒，在基底表面形成具有特定功能的杂化界面层。

原子层沉积（ALD）：ALD是一种精确控制薄膜厚度的技术，通过在基底表面交替通入不同的前驱体气体，实现杂化界面层的原子级控制。

化学气相沉积（CVD）：CVD是一种高温下通过气相反应在基底表面沉积薄膜的技术，适用于制备具有特定功能的杂化界面层。

纳米压印技术：纳米压印技术通过模板在基底表面形成微观结构，然后填充功能性材料，制备具有特定结构和功能的杂化界面层。

这些制备方法各有优缺点，可根据实际需求和条件选择合适的方法来制备杂化界面层。

3.聚合物在杂化界面层中的应用

3.1聚合物在杂化界面层中的作用

在无铟钙钛矿太阳能电池中，杂化界面层的功能是至关重要的。聚合物由于其独特的分子结构和性质，在这一层中起到了多重作用。首先，聚合物能够有效地改善钙钛矿材料与电子传输层之间的界面特性，通过形成一层稳定的阻挡层，阻止了界面处的电荷重组。此外，聚合物还可以提供良好的成膜性，增强界面层的机械稳定性。

聚合物在杂化界面层中的主要作用包括：

提高界面层的润湿性，促进钙钛矿材料的均匀沉积。

增强界面层的耐环境稳定性，减少湿度、温度变化等因素的影响。

调节界面能级，优化界面处的能带结构，促进电荷的高效传输。

减少表面缺陷，抑制缺陷态的形成，从而降低非辐射复合损失。

3.2不同类型的聚合物及其性能对比

目前，多种聚合物被广泛应用于杂化界面层，它们各自具有不同的特点和应用效果。以下是一些常见的聚合物及其性能对比。

聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT):PEDOT因其良好的导电性和透明性被广泛应用。其优势在于能级可调，与钙钛矿材料有较好的能级匹配。然而，PEDOT的稳定性相对较差，尤其是在湿度较大的环境中。

聚(苯乙烯磺酸)(PSS):PSS通常与PEDOT结合使用，以提高界面层的稳定性。PSS有助于PEDOT的分散和成膜，但其本身导电性较差。

聚(3-己基噻吩)(P3HT):P3HT在有机太阳能电池中应用广泛，其优势在于合成简单，成膜性好。但其较宽的带隙限制了它在无铟钙钛矿太阳能电池中的应用。

聚(2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)对苯撑乙烯撑)(MEH-PPV):MEH-PPV具有较窄的带隙和良好的成膜性，有利于