北大深研院孟鴻團隊Nano Energy：降低反向鈣鈦礦太陽電池界面損失的新材料

Annay 6年前 (2017-11-16) 6944瀏覽

【引言】

金屬/有機界面處的界面損失是有機電子器件中的關鍵問題，在提高器件性能方面，界面層起著重要作用，并且界面材料的設計是優化器件性能面臨的持續挑戰。最近的研究中通過在有機電子傳輸層和金屬電極之間加入陰極界面修飾層，不失為一種有效減少界面損失的方法。然而這些器件的制造需要昂貴的高真空薄膜沉積工藝或復雜的材料，阻礙了界面層在印制大面積器件中的應用和發展。

【成果簡介】

最近，北京大學深圳研究生院新材料學院孟鴻教授課題組通過季銨化反應高產率地合成了分子結構簡單的1，10-菲咯啉衍生物Phen-I，其具有雙重功能性，在提高鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的功率轉換效率方面表現出優異的性能。該研究發表于Nano Energy，題為“Reduced Interface Losses in Inverted Perovskite Solar Cells by Using a Simple Dual-Functional Phenanthroline Derivative”，文章第一作者為胡釗博士。研究發現Phen-I作為界面修飾層可以有效降低金屬電極功函，而且Phen-I又可作為n型摻雜劑提高電子傳輸材料導電性。研究人員通過一系列的測試手段對其中的機理進行了深入探究。

?【圖文導讀】

?圖1. Uv-vis光譜和CV曲線

a）Phen-I在溶液和薄膜中的Uv-vis光譜。b）Phen-I的循環伏安曲線。

圖2. 器件結構及部分性能測試

a）以Phen-I作CIL的反向PSCs器件結構。

b）在100mW / cm2 Am 1.5G照射下測量的PCBM/Ag和PCBM/Phen-I/Ag器件J-V曲線。

c）對應的太陽能電池的EQE光譜。

d）Phen-I為CIL的器件的滯回檢測。

圖3. 反向PSC器件性能表征

?

a）在100 mW / cm2的AM 1.5G照射下測量，穩定的輸出功率效率和在所研究的反向PSC的最大功率點附近偏置的光電流密度。b）在100 mW / cm2 Am 1.5G照射下不同掃描速度下的反向PSC器件的J-V曲線。c）含有Phen-I層的30個器件的PCE直方圖。

圖4. KPFM測量的表面電位圖

a）純Ag電極 ?b）Ag / Phen-I。c）表面電位圖中典型的VCPD直方圖。 d）器件的能級圖。

圖5. PCBM摻雜Phen-I器件結構及表征

?

?a）固態PC61BM / Phen-I共混物的ESP譜圖。

b）以Phen-I:PC61BM作為ETL的反向PSC的器件結構。

c）純PC61BM或Phen-I:PC61BM ETL的反向PSC器件在100 mW / cm2 Am 1.5G照射下測量的J-V曲線。

圖6. c-AFM圖

a）c-AFM測量的示意圖，

b）c-AFM測量的純PC61BM和Phen-I:PC61BM的I-V曲線。

c）、d）、e）、f）分別是純PCBM, Phen-I:PC61BM為2％、5％、10％的c-AFM圖像。

圖7. 器件表征及測試

a）純鈣鈦礦薄, 鈣鈦礦/純PCBM以及鈣鈦礦/PCBM摻雜Phen-I的穩態PL光譜

b）放大后的鈣鈦礦/純PCBM、以及鈣鈦礦/PCBM摻雜Phen-I的穩態PL光譜

c）器件穩定性測試。

圖8. 基于FA3MA0.7PbI2.7Cl0.3器件采用Phen-I修飾前和修飾后的器件性能

a）在模擬AM 1.5太陽輻照下性能最好的FA0.3MA0.7PbI2.7Cl0.3器件的J-V曲線。

b）相應太陽能電池的EQE光譜。

【小結】

該項研究合成了一個簡單的Phen衍生物Phen-I，且通過將Phen-I作為金屬電極和ETL之間的界面修飾層，使得反向PSC在PCEs上從10.70％明顯增強到18.13％。當基于FA0.3MA0.7PbI2.7Cl0.3鈣鈦礦體系時得到最佳的PCE為19.27％。研究提出，Phen-I作為新的雙功能界面修飾材料可以有效減少PSC的界面損失。其分子結構簡單，合成成本低，因而也是大面積印刷高效有機電子元件的理想選擇，該簡單衍生物的設計概念可以拓展到其他新的高效界面材料中。

文獻鏈接： Reduced Interface Losses in Inverted Perovskite Solar Cells by Using a Simple Dual-Functional Phenanthroline Derivative ?(Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.11.014)

通訊作者簡介：

孟鴻，北京大學深圳研究生院新材料學院副院長，教授，博士生導師，中組部“千人計劃”特聘專家，廣東省領軍人才，深圳市孔雀A類人才。孟鴻教授師從有機光電材料科學家美國科學院院士Fred Wudl教授（美國加州大學洛杉磯分校）、斯坦福大學有機半導體材料專家美國工程院院士Zhenan Bao教授、諾貝爾獎獲得者美國科學院和工程院院士Alan Heeger教授，二十多年來一直從事有機光電材料的研發工作。曾在美國杜邦公司、貝爾實驗室和朗訊科技從事有機光電材料研究工作。在美國杜邦公司任職期間，任高級化學家，發明了當時世界上最好的OLED藍光材料（目前仍然最優）和紅光、綠光OLED材料。孟鴻教授在固態有機合成法、有機半導體器件工程、有機電子學等科學技術領域，特別是有機發光二極管、顯示技術、有機薄膜晶體管、有機無機雜化鈣鈦礦太陽電池，有機導電聚合物和納米技術的應用研發方面有著豐富的工作經驗與理論基礎。先后在J. Am. Chem. Soc, Adv. Mater., Adv. Energy. Mater., Nano Energy, Chem. Mater., Chem. Sci., Macromolecules等國際著名期刊上發表文章90余篇，他引次數5500以上；參與撰寫OLED技術領域的英文專著2本。擁有45項國際發明專利（20項授權），回國后申請61項國內外發明專利，其中20項已授權。該團隊將整合企業和國際先進技術資源，致力于有機光電材料創新、專業人才培養，打造國際領先的有機光電材料技術平臺，為廣東乃至全國相關企業提供強有力的有機光電材料與技術支撐。

團隊近期成果：

  1. Zhao Hu, Jingsheng Miao*, Tingting Li, Ming Liu, Imran Murtaza, Hong Meng*, Reduced Interface Losses in Inverted Perovskite Solar Cells by Using a Simple Dual-Functional Phenanthroline Derivative, Nano Energy, 2017, doi: 10.1016/j.nanoen.2017.11.014
  2. Ming Liu; Guohua Zhong; Yongming Yin; Jingsheng Miao; Ke Li; Chengqun Wang; Xiuru Xu; Clifton Shen; Hong Meng*, Aluminum-Doped Cesium Lead Bromide Perovskite Nanocrystals with Stable Blue Photoluminescence Used for Display Backlight, Advanced Science, 2017, DOI: 10.1002/advs.201700335, 1700335
  3. Xiuru Xu, Dan Hu, Lijia Yan, Shaoli Fang, Clifton Shen, Yueh-Lin Loo, Yuan Lin, Carter S. Haines, Na Li, Anvar A. Zakhidov, Hong Meng,* Ray H. Baughman,* and Wei Huang*, Polar-Electrode-Bridged Electroluminescent Displays: 2D Sensors Remotely Communicating Optically, Adv. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adma.201703552
  4. Shan Shao, Jingjing Shi, Imran Murtaza, Panpan Xu, Yaowu He, Sanjay Ghosh, Xiaosi Zhua, Igor F. Perepichka* and Hong Meng*. Exploring the electrochromic properties of poly(thieno[3,2-b]thiophene)s decorated with electron-deficient side groups, Polym. Chem. 2017, 8, 769-784
  5. Mengyun Chen, Yang Zhao, Lijia Yan, Shuai Yang, Yanan Zhu, Imran Murtaza, Gufeng He,* Hong Meng,* and Wei Huang*. A Unique Blend of 2-Fluorenyl-2-anthracene and 2-Anthryl-2-anthracence Showing White Emission and High Charge Mobility, Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 129, 740 -745
  6. Yitong Guo, Weishuo Li, Hongtao Yu, Dmitrii F. Perepichka, and Hong Meng*. Flexible Asymmetric Supercapacitors Via Spray Coating of a New Electrochromic Donor-Acceptor Polymer, Adv. Energy Mater. 2017, 7(2), 1601623
  7. Panpan Xu; Imran Murtaza; Jingjing Shi; Mengmeng Zhu; Yaowu He; Hongtao Yu; Osamu Goto and Hong Meng*, Highly Transmissive Blue Electrochromic Polymers Based On Thieno[3,2-b]thiophene, Polym. Chem. 2016, 6(79), 75522-75529
  8. Zhao Hu; Weifei Fu; Lijia Yan; Jingsheng Miao; Hongtao Yu; Yaowu He; Osamu Goto; Hong Meng*; Hongzheng Chen* and Wei Huang*, Effects of heteroatom substitution in spirobifluorene hole transport materials, Chem. Sci. 2016, 7, 5007-5012

孟鴻課題組網頁：http://web.pkusz.edu.cn/menghong/

本文由材料人計算材料組Annay供稿，材料牛整理編輯。

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