NatureEnergy石墨烯搭载单原子改善钙钛矿太阳能电池性能

　　研究背景
　　目前普遍认为碳基钙钛矿太阳能电池(Carbon-based perovskite solar cells，C-PSCs)是一种稳定且经济有效的光伏电池。然而，由于它存在严重的电极相关能量损失，C-PSCs的功率转换效率(power conversion efficiencies，PCEs)一直相对较低。
　　为了解决这一问题，大连理工大学史彦涛团队与瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel 和东南大学朱超在能源领域顶级期刊《Nature Energy》上合作发表了一篇题为＂Ti1–graphene single-atom material for improved energy level alignment in perovskite solar cells＂的文章，报道了单原子材料(single-atom material，SAM)作为C-PSC背电极的应用。
　　本文亮点
　　（1）作者成功制备了Ti1-rGO（reduced graphene oxide，还原氧化石墨烯），并明确了Ti1O4-OH的构型，指出Ti原子是锚定于rGO的碳空位缺陷之中；
　　（2)采用实验和理论计算的方法证实Ti的引入能够极大地增加rGO的电子性质，从而能够有效增加C-PSCs的功率转换效率。
　　（3）Ti1-rGO-PSCs具有很好的稳定性，在25 和60 的1个太阳标准光照射下，未封装的器件在1,300小时内分别保持其初始值的98%（25 ）和95%（60 ）。
　　结果讨论
　　作者首先制备并验证了Ti1-rGO中Ti原子的配位结构。采用化学吸附的方法制备出Ti1-rGO样品，接着对rGO和Ti1-rGO进行了表面形貌的研究，从SEM和TEM图中可以看出，rGO和Ti1-rGO均是超薄，起皱，交错的薄片，都保留了石墨烯优异的柔韧性。电子衍射图可看出Ti1-rGO主要由层状石墨烯组成。在高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM)图像中的亮点是Ti原子，可以看出Ti在在整个Ti1-rGO样品中呈均匀分布。此外，电子能量损失光谱（EELS）表明了Ti原子锚定在Ti1-rGO的碳空位缺陷中。从以上的结果可以看出作者已成功合成了Ti1-rGO样品，并明确了Ti1-rGO的结构。
　　图1. Ti1-rGO的结构表征
　　作者也对比了rGO引入Ti原子前后的电子性能。通过DFT计算，rGO的能带图显示带隙为0.3eV，说明rGO具有非金属性，不利于导电。而在引入Ti原子后，Ti1-rGO能带图中费米能级明显向价带移动，这表明Ti1-rGO已具有金属性，有利于提升电导率。rGO和Ti1-rGO的静电势和详细参数的计算表明Ti原子的引入使功函数(work function，WF)从4.04eV(rGO)大幅增加到了4.79eV（Ti1-rGO），Ti原子的引入大大提高了rGO的电子特性。
　　图2 调节Ti1-rGO 电极电子特性的研究
　　Ti1-rGO的各种电学性能的改进促使作者探索Ti1-rGO电极材料基础性能的改善是否可以转化为整个C-PSCs器件的性能增强。基于这一点，作者还研究了Ti1-rGO碳基钙钛矿太阳能电池（C-PSCs）的性能和稳定性。作者分别使用了rGO和Ti1-rGO作为C-PSCs的电极材料，组装示意图如图3a所示。IV图显示Ti1-rGO-PSCs的开路电压(Voc)，短路电流密度(Jsc)，填充系数，PCE，均超过C-PSC的参数，并接近于Au-PSCs。接着作者计算了在稳态最大功率点(MPP)处的串联电阻，rGO器件的串联电阻为7.0Ωcm 2，而Ti1-rGO器件的串联电阻为1.3Ωcm 2，rGO的串联电阻明显大于Ti1-rGO，这是造成rGO与Ti1-rGO性能差异的主要原因。作者也对Ti1-rGO-PSCs进行了稳定性测试，结果表明Ti1-rGO-PSCs可以很好地解决贵金属电极（Au-PSCs）因腐蚀引起的不稳定问题。
　　图3 太阳能电池的性能和运行稳定性
　　表1 rGO与Ti1-rGO的光伏参数对比
　　总结
　　综上，作者报道了具有明确结构的SAM作为高性能钙钛矿太阳能电池背接触的应用。DFT计算表明，rGO和Ti原子之间存在明显的电荷转移，这大大提高了Ti1-rGO电荷传输材料的电导率。基于这种独特的背接触材料，钙钛矿太阳能电池实现了高达20.6%的稳态PCE。此外，基于Ti1-rGO的C-PSC还显示出良好的稳定性。这项工作不仅为设计高效、稳定的电极材料提供了途径，也加深了对电子器件性质与化学结构之间相关性的理解。