研究亮点：
1、利用自建的高通量筛选平台，寻找热、光条件下稳定的钙钛矿组分
2、基于双层触点的未封装器件在金属卤化物灯下连续运行1450小时仍能保持99%的峰值效率。
一、钙钛矿双层导电聚合物结构解决的关键问题
钙钛矿太阳能电池的长期稳定性仍然是一个挑战。钙钛矿层和器件结构都需要长期运行，然而平面异质结钙钛矿太阳能电池(PSCs)的寿命仍然远远落后于保证0.5%年降解率的工业硅太阳能电池。不稳定机制包括离子迁移、钙钛矿分解等。
二、成果简介
YichengZhao及其合作者报道了超稳定的平面钙钛矿太阳能电池使用双层导电聚合物结构和稳定的钙钛矿吸收剂。通过对160种钙钛矿进行分级筛选获得稳定的钙钛矿。通过使用热蒸发的MgF2进一步密封器件，器件在65°C连续工作1450小时后，保持其峰值效率的近100%±1%，代表了n-i-p平面钙钛矿太阳能电池的一些最佳稳定性数据。
三、结果与讨论
1、基于金属氧化物器件的不稳定性机制
测量了各种孔洞传输材料在横向和垂直结构老化温度从25℃升高到85℃时的电导，发现Ta-WOx，NiOx，Sb-SnOx等p型金属氧化物在N2中温度从25℃升高到85℃时呈现瞬态电导。过渡金属氧化物的不稳定性还表现为表面功函数不稳定。光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)/能量色散x射线(EDX)光谱研究进一步发现，基于Ta-WOx器件在65℃光照下老化1000 h后，钙钛矿吸收剂在老化过程中产生的微量蒸汽，蒸汽会聚集在Au电极下，造成超过Au屈服强度的内部压力，导致Au电极明显断裂。因此，器件结构在高温下的不稳定性归因于p型金属氧化物的瞬态电导和对这些微量蒸汽较差的缓冲效应。
图1 基于Ta-WOx器件的特征和电导分析
2、双层导电聚合物结构的工作机理
旨在使用具有高热稳定性的强大欧姆接触解决金属氧化物基器件的高温不稳定性。作者选择了一种由稳定的路易斯酸(三(五氟苯基)硼烷掺杂的共轭聚(三芳胺)聚合物（简称为BCF）替代金属氧化物。该掺杂BCF的聚(三芳胺)(简称PTAA-BCF)应用于ITO/PDCBT/PTAA-BCF/Au垂直堆叠结构中。在65℃左右，PTAA-BCF本身显示出与PDCBT相当的电导稳定性和工作功能。
因此，器件结构演化为ITO/(SnO2-PEIE)/(PCBM/MnSO4)/MA0.10Cs0.05FA0.85Pb(I0.95Br0.05)3/PDCBT/PTAA-BCF/Au。对于这种双层聚合物结构，PTAA-BCF与PDCBT和Au的互连层在低温/高温下具有较高的电导，将实现稳定的欧姆接触;同时，在酸掺杂的PTAA-BCF下的无掺杂PDCBT可以作为酸屏障，消除对钙钛矿表面不利的酸侵蚀。
3、双层导电聚合物基器件的光伏性能
通过优化掺杂剂和PDCBT的浓度，双分子层导电聚合物结构的最佳器件的PCE为20.9%，FF为78%，基于PDCBT/PTAA-BCF的器件迟滞可以忽略不计。该器件具有良好的热稳定性，在环境空气中85℃(相对湿度30-45%)(19.6%至18.7%)下老化500小时后，其初始效率仍保持在95%以上。该设备在高温(60-65℃)下也表现出优异的运行稳定性。
设备的初始稳态效率约为20.9%,最大功率点VMPP = 0.94 V在室温(25 - 30°C)在模拟空气质量1.5全球照明(1.5 G),对应于19.1%的最初低PCE在高温与VMPP = 0.88 V(60 - 65°C)由于温度效应。MPP工作1250 h时，正向扫描和反向扫描的J-V曲线几乎没有变化，在60-65°C的整个老化过程中，电流迟滞可以忽略不计。为了在不受光源光谱或强度变化干扰的情况下量化设备稳定性，通过参考硅太阳能电池进一步校准光强度。校正后，老化设备的初始效率保持在99%±3%左右，峰值效率保持在97%±3%左右。
针对电极破损问题，双分子层聚合物结构也对痕量蒸汽具有很强的缓冲作用，这在元素映射中得到了证明。对另一种钙钛矿组成进行了扩展测试，不仅验证了再现性，还研究了这种双层结构的共性。该双分子层导电聚合物结构的优异稳定性也与之前关于其他双分子层聚合物热稳定性的报道一致，表明了双分子层导电聚合物结构实现稳定HTL。
图2 基于PDCBT/PTAA-BCF的钙钛矿太阳能电池的器件性能
四、总结
这一工作指出了发展稳定欧姆接触在实现超稳定平面异质结多晶硅材料中的关键作用。一方面，载流子传输层在较高的老化温度下应具有稳定的电导，这是稳定欧姆接触的基础。另一方面，对于钙钛矿分解产生的痕量蒸汽，它们应具有化学惰性，并应具有强烈的缓冲作用，以抑制电极破裂。双分子层导电聚合物结构由于其独特的电导稳定和缓冲效应，在平面多晶硅材料中提供了良好的欧姆接触。在这个双分子层结构中，没有掺杂剂的固有聚合物层还提供了一个有效的酸屏障，防止酸从掺杂的聚合物扩散，否则会攻击钙钛矿表面。
这种双分子层导电聚合物装置中相对较低的光电流和开路电压，这可能是由PDCBT的寄生吸收和缺陷接口造成的。通过优化光学管理和钙钛矿相关界面，如开发更厚的高质量钙钛矿层、宽带隙无掺杂导电聚合物、聚合物兼容钝化方法等，可以实现更高的转换效率。电极工程(例如，碳)和聚合物工程的进一步发展，结合更强大的ETL抗85°C老化是提高PSCs的稳定性以及硅太阳能电池竞争的关键。
五、参考文献：
Yicheng Zhao et al. A bilayer conducting polymer structure for planar perovskite solar cells with over 1,400 hours operational stability at elevated temperatures, Nature Energy, 2021.
https:/ / doi.org/10.1038/ s41560-021-00953-z.