蘇州大學廖良生Nano Energy：石墨炔改性的鉸鏈富勒烯作為電子傳輸層用于鈣鈦礦太陽能電池

【引言】

有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池效率在短時間內已經突破22%。盡管在效率方面取得了巨大的進步，但是其穩定性問題仍然是阻擋其商業化的巨大挑戰。大部分高效率的鈣鈦礦電池采用的都是n-i-p結構，并且用TiO₂作為電子傳輸層(ETL), spiro-OMeTAD作為空穴傳輸層。TiO₂作為一種優秀電子傳輸材料，具有良好的光電性能并且具有和鈣鈦礦相兼容的帶隙。然而，在n-i-p結構中，電子傳輸層不僅決定了電荷的傳輸特性，也決定了鈣鈦礦薄膜的形貌和結晶性（鈣鈦礦層生長在電子傳輸層上面）。最近，許多鈣鈦礦應用了雙電子傳輸層結構，如：TiO₂/PCBM、Graphene/TiO₂、PEIE/Y-TiO₂和SnO₂/C₆₀等，并且成功地提升了鈣鈦礦電池的性能，但是其環境穩定性的問題始終沒有得到很好的解決。因此，發展一種耐溶劑的有機電子傳輸層，可同時解決電荷分離效率問題與鈣鈦礦薄膜穩定性問題，是提升鈣鈦礦太陽能電池效率和穩定性的有效途徑。

【成果簡介】

近日，蘇州大學廖良生教授、王照奎副教授，中科院化學研究所李玉良院士（共同通訊作者），以及臺灣交通大學許千樹教授和上海應用物理所高興宇研究員，在Nano Energy上發表了一篇名為“Graphdiyne-Modified Cross-Linkable Fullerene as an Efficient Electron-Transporting Layer in Organometal Halide Perovskite Solar Cells”的文章。此項工作的第一作者為蘇州大學的博士生李萌。研究者報道了一種溶液法制備的基于石墨炔(Graphdiyne)改性熱鉸鏈富勒烯(PCBSD)的雜化電子傳輸層，放置于TiO₂與鈣鈦礦層之中，成功地提升了器件的效率與穩定性。

【圖文簡介】

圖1：材料分子結構與器件結構示意圖

(a). PCBSD和GD的分子結構；

(b). 器件結構示意圖；

(c). 器件截面SEM圖。

圖2：C-PCBSD:GD薄膜的表征

(a-b). FTO/C-PCBSD薄膜(a)和FTO-C-PCBSD:GD薄膜(b)的AFM圖；

(c). FTO/TiO₂/C-PCBSD /Bphen/Ag單電子器件的雙對數J-V曲線；

(d). GD與C-PCBSD: GD復合薄膜的拉曼譜；

(e-f). GD和C-PCBSD:GD復合薄膜的XPS譜。

圖3：器件的性能表征

(a). 基于TiO₂和TiO₂/C-PCBSD:GD電子傳輸層的鈣鈦礦電池器件的J-V曲線；

(b). 最優器件在AM 1.5G照射下與無光照條件下的J-V曲線；

(c). 基于TiO₂和TiO₂??? /C-PCBSD: GD電子傳輸層的鈣鈦礦電池的入射光電子轉換效率 (IPCE) 曲線，與電流密度積分曲線；

(d).30個基于TiO₂/C-PCBSD:GD電子傳輸層鈣鈦礦電池的性能統計分布直方圖；插圖為30個基于TiO₂/C-PCBSD電子傳輸層鈣鈦礦電池的性能統計分布直方圖；

(e). 基于TiO₂/C-PCBSD: GD電子傳輸層鈣鈦礦電池在0.92V和在其最大功率處的最大穩定輸出光電流；

(f). 器件的穩定性測試。

圖4：薄膜的GIXRD表征

(a-b). C-PCBSD和C-PCBSD:GD薄膜的GIXRD衍射圖紋；

(c). C-PCBSD和C-PCBSD: GD薄膜的GIXRD衍射的強度積分曲線；

(d-e). 沉積在C-PCBSD和C-PCBSD: GD薄膜上的鈣鈦礦薄膜的2D GIXRD衍射圖紋；

(f). 沉積在C-PCBSD和C-PCBSD: GD薄膜上的鈣鈦礦薄膜的110面徑向積分強度圖。

圖5：薄膜的疏水性能與吸收譜

(a, c). 水與DMF在TiO₂薄膜上的接觸角；

(b, d). 水與DMF在TiO₂/C-PCBSD:GD薄膜上的接觸角；

(e). C-PCBSD、DMF和CB淋洗的C-PCBSD薄膜的吸收譜曲線。

【小結】

? 研究者開發了一種優秀的石墨炔改性的富勒烯復合薄膜，該薄膜作為電子傳輸層放置于TiO₂與鈣鈦礦層之間可以有效地增強鈣鈦礦電池器件的性能，將器件的效率提升至20.19%, 同時器件的穩定性也得到顯著的提升。

文獻鏈接：Graphdiyne-Modified Cross-Linkable Fullerene as an Efficient Electron-Transporting Layer in Organometal Halide Perovskite Solar Cells. (Nano Energy，2017，DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.11.008)

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