南京工業大學Nano Energy：無后處理、無摻雜二芳基芴類納米分子作為柔性p-i-n型鈣鈦礦太陽能電池的空穴傳輸材料

【引言】

鈣鈦礦太陽能電池因其高能量轉換效率已引起了高度關注，這種電池的低成本溶液制備法和印刷技術使其在其他光伏器件中也有廣泛的潛在應用價值。過去十年間，研究人員致力于改變電池結構和優化鈣鈦礦薄膜形貌，鈣鈦礦太陽能電池轉換效率也從2009年的3.8%上升至今年的22.1%。迄今為止，高效的固態介孔和平面異質結已被用于改善器件結構，增強器件性能。然而，利用金屬氧化物（如：TiO2，SnO2，CuO）等作為電子傳輸層的傳統制備方法需要高溫處理，而這種方法不僅十分耗能且不適用于柔性塑料基底。因此，可低溫制備的無滯后反式鈣鈦礦太陽能電池（i-PVSC）出現了。反式電池通常使用PCBM作為電子傳輸層（ETL），PEDOT:PSS作為空穴傳輸層，適用于柔性基底，可通過印刷技術量產。PEDOT:PSS的酸性和親水性會不可避免地腐蝕ITO，吸收環境中的水分，影響器件的性能和穩定性。因此，商用的鈣鈦礦電池十分需要新型溶液處理的空穴材料。與聚合物空穴材料不同，小分子易于提純，通過分子工程對化學結構進行改性，可以控制光電性能。

【成果簡介】

最近，南京工業大學黃維教授(通訊作者)等人在Nano Energy 上發表題為“Diarylfluorene-based Nano-molecules as Dopant-Free Hole-transporting Materials without Post-treatment Process for Flexible p-i-n Type Perovskite Solar Cells”的文章。研究團隊設計了兩組二芳基芴類HTM，TPA或者9-NPC作為鏈臂，C8或者C6Cz為側鏈，分別命名為MC8-TPA, MC8-9-NPC，MC6Cz-TPA和MC6Cz-9-NPC。這些材料在普通有機溶劑中有很好的溶解性，旋涂而成的薄膜界面光滑，疏水性好，在ITO上不需后續熱處理即表現完全結晶態。在二芳基芴類HTM上制備的鈣鈦礦薄膜比在PEDOT:PSS上的晶粒更大，約為300nm。器件的最高效率達到13.85%，柔性鈣鈦礦電池最高效率為9.09%。

【圖文導讀】

圖1.無摻雜空穴材料的鈣鈦礦太陽能電池

圖2.無摻雜二芳基芴類空穴材料的分子結構和電池結構

a）HTM的化學結構；

b）單晶中MC8-9-npc的分子結構和分子尺寸；

c）柔性i-PVSC的結構；

d）文章器件涉及的材料的能帶分布；

圖3.電池的光學表征

a）在不同HTM上制備的鈣鈦礦薄膜的紫外可見吸收光譜；

b）基于不同HTM的鈣鈦礦的穩態熒光光譜；

c）基于不同HTM的鈣鈦礦在峰值發射波長（760nm）出拍攝的時間分辨PL衰減瞬變；

圖4.鈣鈦礦薄膜形貌表征

a-e)旋涂在ITO基底上的HTM (a) PEDOT:PSS, (b) MC8-TPA, (c) MC8-9-NPC, (d)MC6Cz-TPA, (e) MC6Cz-9-NPC的AFM形貌；

f-J)不同HTM上鈣鈦礦的AFM形貌；

k-o)不同HTM上鈣鈦礦的SEM形貌；

圖5電池的光電性能表征

a）正掃時，不同HTM上鈣鈦礦電池的J-V曲線；

b）正掃時，不同HTM上鈣鈦礦電池暗曲線；

c）正掃時，不同HTM上鈣鈦礦電池的外量子效率（EQE）曲線；

d）柔性鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線；

【小結】

該研究將新型小分子HTM引入p-i-n平面鈣鈦礦太陽能電池中，電池性能顯著提高。而且這些體二芳基芴類材料可以在不經過任何后處理過程的情況下進行溶液法制備，而且不需摻雜就有很高的傳導性，更易從鈣鈦礦中抽取空穴。此外，在此基底上的鈣鈦礦薄膜具有晶粒大、致密的特點。這些優勢也使電池的載流子損失少，效率更高。說明了新型小分子空穴傳輸材料在未來鈣鈦礦太陽能電池發展中的潛力。

文獻鏈接：Diarylfluorene-based Nano-molecules as Dopant-Free Hole-transporting Materials without Post-treatment Process for Flexible p-i-n Type Perovskite Solar Cells（Nano Energy,2017,DIO:10.1016/j.nanoen.2018.01.005)

本文由材料人編輯部沈黎麗編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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