文章链接：http://xlink.rsc.org/?DOI=C8CS01012A
研究背景：
得益于有机无机杂化钙钛矿材料优异的光捕获能力以及电荷传输性能，钙钛矿太阳电池光电转换效率已从起初的3.8%迅速提升至25.2%。迄今为止，传统高效率的n-i-p结构钙钛矿电池普遍需要高温烧结的无机金属氧化物半导体作为电子传输层，这大大增加了工艺的复杂性从而提高器件制备成本。电子传输层还可能会导致钙钛矿材料的分解，使器件稳定性大幅度下降。另一方面，传统的钙钛矿电池中空穴传输层材料价格昂贵。因此，制备无电荷传输层的电池器件是实现低成本制备高性能钙钛矿电池的有效策略。钙钛矿材料的双极性载流子传输特性能够保证在没有电子或空穴传输层的情况下也可以制备高效率的钙钛矿太阳电池。目前，尽管无电荷传输层钙钛矿电池器件效率已经超过20%，但依然远远落后于传统有电子和空穴传输层器件的效率。这主要归因于在无电荷传输层的情况下，器件内部的光生载流子无法被有效提取，导致严重的界面电荷复合，从而抑制效率提升。
本文亮点：
- 介绍了钙钛矿太阳电池器件结构类型以及相应工作机理
- 阐述了当前无电荷传输层钙钛矿电池发展现状以及主要瓶颈
- 总结了提升无电荷传输层钙钛矿电池性能的最新策略以及揭示了内在的载流子传输，异质结构建以及器件物理等相关机理
- 提出了制备高效简单结构钙钛矿电池的经验模型和前景展望
内容简介：
制备无电荷传输层的电池器件是实现低成本制备高稳定性的钙钛矿电池器件的有效策略，也是该领域相当具有潜力的发展方向。目前，尽管无电荷传输层钙钛矿电池器件效率已经超过20%，但依然远远落后于传统结构器件的效率。针对上述问题，中山大学团队联合澳大利亚昆士兰大学团队总结了过去近10年来科研工作者为提升无电荷传输层钙钛矿电池器件性能的各种研究策略。相关研究成果以“Understanding of carrier dynamics, heterojunction merits and device physics: towards designing efficient carriertransport layer-free perovskite solar cells”为题发表在Chem.Soc. Rev. (2020, 49(2), 354-381)上，并被选为封面论文。该工作旨在阐述对这些简单却高效的电池器件内在的载流子传输动力学、异质结构建和器件物理的深刻理解，揭示了限制无电荷传输层器件效率的决定性因素，从而提出了一些有用的经验模型。
图文导读：1. 无电荷传输层钙钛矿电池器件结构类型以及相应工作机理。
目前，无电荷传输层钙钛矿电池结构分为四种，主要是由传统的两种三明治钙钛矿电池结构(正置结构n-i-p和倒置结构p-i-n)衍生而来，分别是将n-i-p结构中的电子或者空穴传输层单独移除，将p-i-n结构中空穴传输层移除，以及将电子空穴传输层同时移除。
图1. (a)无钙钛矿电池器件结构类型以及(b-d)相应工作机理。
2. 无电荷传输层钙钛矿电池发展现状以及主要瓶颈。
相比于传统结构，无电荷传输层钙钛矿电池内部的载流子传输复合以及在界面异质结间的电荷提取与复合相关基础研究甚少。目前限制无电荷传输层钙钛矿电池发展的主要瓶颈：①
钙钛矿薄膜在导电基底上覆盖不均匀，容易导致漏电，导致Jsc，Voc低；②无电荷传输层侧，导电基底与钙钛矿直接接触，两者能带位置不匹配，导致严重的界面复合，造成Voc损失；③由于钙钛矿消光系数高，电荷主要在受光面的薄层界面中产生，钙钛矿传输到另一侧电极的动力不足，传输过程中容易出现电荷复合。④钙钛矿薄膜内部以及器件界面有较多缺陷会导致严重电荷复合等。
图2. (a)不同器件结构钙钛矿电池效率进展；(b)不同器件结构的无电荷传输层钙钛矿电池目前取得的最高效率。
3. 优化无电荷传输层钙钛矿电池性能的新策略以及模型。
为了突破上述限制无电荷传输层钙钛矿电池器件发展的主要瓶颈，科研工作者提出了许多提升无电荷传输层钙钛矿电池性能的最新策略，主要如下：①对导电基底进行修饰，增大钙钛矿溶液与基底的浸润性，制备更加平滑致密的钙钛矿薄膜；增大基底与钙钛矿的接触面积，促进电荷提取；优化导电基底与钙钛矿之间的能级匹配，增强电荷注入动力，抑制电荷复合。②优化钙钛矿成膜动力学过程，增大钙钛矿晶粒尺寸减少薄膜孔洞从而减少器件发生短路的可能性；设计研发新型迷宫状钙钛矿薄膜，增大钙钛矿与电荷传输层接触面积。③异质结工程：电荷传输材料与钙钛矿层共混从而构建异质结，分散在钙钛矿晶界表面的电荷传输材料有利于界面电荷分离与萃取。
④通过掺杂或者组分调控对钙钛矿材料进行改性实现p-n型转换和延长载流子有效寿命和扩散长度，有利于钙钛矿与基底构建有效p-n结，促进电荷分离与提取。⑤器件结构改造：相比多晶薄膜，单晶薄膜具有缺陷密度低和载流子扩散距离长等优点，但是单晶物理尺寸过厚不利于构建传统纵向器件，构建横向器件结构有利于缩短两个电极之间的距离，减少电荷复合的几率。⑥基于碳电极的无空穴传输层钙钛矿电池器件：碳电极相比传统金电极与钙钛矿能级更为匹配，更适合作为空穴提取功能层且更为廉价和稳定性更高。
图3.制备高性能无电荷传输层钙钛矿电池的新策略和模型。
4. 无电荷传输层钙钛矿电池的未来发展方向。
图4. 适用于制备简单结构钙钛矿电池的导电基底，电荷传输材料，钙钛矿组分和对电极材料选择。
作者总结并概括了适用于制备简单结构钙钛矿电池的导电基底，电荷传输材料，钙钛矿组分和对电极的材料选择可能性，期望为广大科研工作者后续设计高效无电荷传输层钙钛矿电池提供借鉴意义。目前文献报道的无电荷传输层钙钛矿电池都是基于铅基钙钛矿的小面积电池器件。因此，作者认为，未来无电荷传输层钙钛矿电池将会主要朝着无铅，大面积，柔性和高稳定性方向发展，真正实现低成本大面积制备高效稳定钙钛矿太阳电池。
图5. 无电荷传输层钙钛矿器件的未来发展方向。
吴武强 (本文共同第一作者及通讯作者)长期致力于新型半导体纳米材料的合成，高性能光电器件设计、性能优化与相关机理研究。团队已在Chem. Soc. Rev.、Acc Chem. Res.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.和Energy Environ. Sci.等国内外学术期刊上发表SCI收录论文50多篇，被他人引用近3000次。
王连洲 (本文通讯作者)澳大利亚昆士兰大学化工学院纳米材料中心主任，澳大利亚基金委桂冠教授。主要从事半导体纳米材料的合成及其在清洁能源转化与存储领域包括光催化制氢和新型太阳能电池等的应用。先后在Nature Energy, Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., AngewChem等国际学术期刊发表论文400余篇，论文被引用22000余次。
匡代彬 (本文通讯作者)中山大学化学学院教授，博士生导师，2011年入选教育部新世纪优秀人才支持计划；2016年获聘为广东省“珠江学者”特聘教授；2016年入选广东省百千万工程领军人才。课题组围绕新能源材料与光电应用开展研究：主要从事无机光电材料的设计、合成与太阳能利用，包括钙钛矿太阳电池，光/光电催化分解水和光催化CO2还原等方面的应用基础研究。团队已在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed、Adv. Mater.、Chem和Energy Environ. Sci.等国内外学术期刊上发表SCI收录论文170多篇，被他人引用11000多次。
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