Adv. Energy Mater.: 高性能平面鈣鈦礦太陽能電池兩步法連續沉積的新策略

【引言】

有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池作為一項有前景的技術已經受到廣泛關注。鈣鈦礦太陽電池的結構主要分為兩類：介孔結構（n-i-p）和平面結構（n-i-p、p-i-n）。目前基于TiO₂介孔結構的鈣鈦礦太陽電池的最高能量轉化效率已經高達22.1%，而平面型p-i-n型鈣鈦礦的效率仍然落后于此效率，但是由于其可以低溫制備、適用于柔性器件的大面積生產等優點，仍然受到廣泛的關注。不僅如此，理論計算也表明，基于MAPbI₃活性層材料的p-i-n太陽電池的最大轉化效率可以達到30%。因此，開發優良的鈣鈦礦活性層加工方法來同時改善鈣鈦礦薄膜生長和界面工程以提高p-i-n電池的功率轉化效率是至關重要的。

【成果簡介】

近日，蘇州大學的李耀文副教授和李永舫院士（共同通訊作者）在Adv. Energy Mater.上發表最新研究成果“New Strategy for Two-Step Sequential Deposition: Incorporation of Hydrophilic Fullerene in Second Precursor for High-Performance p-i-n Planar Perovskite Solar Cells”。在該文中，研究者將親水性的富勒烯衍生物（PCBB-OEG）添加到MAI前軀體溶液中，并通過兩步連續沉積法引入到了MAPbI₃薄膜中。通過此方法制備的鈣鈦礦薄膜實現了PCBB-OEG自上而下梯度分布，并且在鈣鈦礦上方形成了一層PCBB-OEG薄膜。與此同時，PCBB-OEG的引入也可以提高鈣鈦礦薄膜的晶體質量。研究表明所得到的高質量鈣鈦礦晶體不僅可以很好地生長在親水性的PEDOT:PSS空穴傳輸層上，還能很好生長在疏水性的PTAA空穴傳輸層上。利用該方法獲得的平面p-i-n型鈣鈦礦太陽電池的效率高達20.2%。更重要的是，利用該方法制備的器件在室溫，濕度為70%的環境下暴露300小時后，該太陽電池仍可以保持98.4%的效率。此外，相應的柔性器件的效率也高達18.1%。

【圖文導讀】

圖1 富勒烯衍生物的合成及表征

（a）PCBB-OEG的合成方法和分子結構

（b）PCBB-OEG的DSC分析

（c）PCBM和PCBB-OEG的循環伏安曲線

（d）純異丙醇溶劑、PCBM異丙醇溶液和PCBB-OEG異丙醇溶液的照

圖2 鈣鈦礦薄膜的制備及形貌表征

（a）兩步沉積法示意圖

（b）摻雜后鈣鈦礦薄膜的ToF-SIMS深度曲線分析

（c）鈣鈦礦薄膜的XRD圖

（d）鈣鈦礦薄膜的XRD衍射峰的(110)/(310)和(220)/(310)的比值

圖3鈣鈦礦薄膜的形貌分析

（a）未摻雜的的鈣鈦礦的SEM圖

（b）摻雜0.01%PCBB-OEG鈣鈦礦薄膜SEM圖

（c）摻雜0.1%PCBB-OEG鈣鈦礦薄膜SEM圖

（d）摻雜1%PCBB-OEG鈣鈦礦薄膜SEM圖

圖4 平面p-i-n型鈣鈦礦太陽電池的結構示意圖

（a）平面p-i-n型鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖

（b）太陽電池相關能級示意圖

（c）鈣鈦礦薄膜的SKPM圖

（d）太陽電池的SEM截面圖

圖5 器件的光伏性能分析

（a）器件的J-V曲線

（b）器件的IPCE圖

（c）器件的滯后現象分析

（d）在最大功率點處，器件的電流密度和功率轉化效率隨時間的變化

圖6 薄膜的光致發光分析

（a）鈣鈦礦膜/PCBM的PL圖

（b）鈣鈦礦膜/PCBM的TRPL圖

圖7 器件的電化學表征

圖8 器件的穩定性表征

【小結】

在這項工作中，研究者首先合成了親水性的富勒烯衍生物PCBB-OEG。它作為一種添加劑用于兩步法合成鈣鈦礦薄膜。實驗表明：在第二個前驅體溶液中的PCBB-OEG可以有效地擴散到預先沉積的PbI₂:MAI膜中，其可以輔助鈣鈦礦薄膜的生長。與此同時，高品質的鈣鈦礦薄膜不僅可以很好地生長在親水性的PEDOT:PSS空穴傳輸層上，而且可以生長在疏水性的PTAA空穴傳輸層上。這種簡單的方法使我們能夠同時解決幾大挑戰，包括鈣鈦礦薄膜自上而下梯度分布的富勒烯衍生物的構建，提高電子耦合和界面處的帶隙連接，降低鈣鈦礦晶界缺陷，以及消除器件的遲滯效應和提高穩定性。該方法可以獲得平面鈣鈦礦太陽電池和柔性太陽電池的效率分別為20.2%和18.1%。

文獻鏈接： New Strategy for Two-Step Sequential Deposition: Incorporation of Hydrophilic Fullerene in Second Precursor for High-Performance p-i-n Planar Perovskite Solar Cells（Adv. Energy Mater.，2018，10.1002/aenm.201703054）

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材料測試，數據分析，上測試谷

團隊介紹：

蘇州大學李永舫院士團隊的李耀文副教授，“江蘇省優秀青年”人才基金獲得者。2005年本科畢業于吉林大學化學學院，2010年在吉林大學超分子結構與材料國家重點實驗室獲得博士學位。隨后到蘇州大學工作，先后在中國科學院蘇州納米所陳立桅研究員、美國加州大學洛杉磯分校楊陽教授課題組從事博士后和訪問學者研究工作。2014年加入李永舫院士團隊。近年來共發表SCI 論文五十余篇，其中作為第一作者和通訊作者在Nature Commum.，J. Am. Chem. Soc., Energy Environ. Sci.，Adv. Energy. Mater.（3），Adv. Funct. Mater.（2），Nano Energy等重要學術刊物發表SCI 論文20余篇。1篇論文獲得ESI “熱點論文”（前1‰），2篇論文獲得ESI“高被引”（前1%）。

團隊在該領域工作匯總：

李耀文副教授近幾年一直致力于柔性聚合物太陽能電池以及柔性鈣鈦礦電池方面的工作。以面向應用、制備高性能柔性太陽能電池為出發點，從簡化器件制備工藝、避免柔性電池高溫熱退火、發展新型柔性透明電極等方面展開相關研究工作。他們在2013年率先發展了具有自主知識產權的Ag-mesh/PH1000復合柔性電極，該復合柔性電極不僅具有較高的透過率，而且擁有超低的面電阻。接著，他們利用Ag-mesh/PH1000的復合柔性電極以及低溫制備方法制備了一系列的高效率柔性太陽能電池，包括：柔性聚合物太陽能電池電池（PCE=10.04%），大面積聚合物太陽能電池（面積=1.21 cm2? PCE=5.85%）、柔性鈣鈦礦太陽能電池（PCE=14.2%，PCE=18.1%）、柔性半透明有機聚合物太陽能電池（PCE=6.4%）。

除此以外，該團隊還致力于功能性富勒烯衍生物的合成及其在柔性、可大面積加工太陽能電池應用方面的工作。一方面將功能性富勒烯衍生物用作有機太陽能電池中的受體，通過超分子自組裝的方法構筑有序活性層，避免熱退火等后處理手段，此方法有利于推進有機太陽能電池的商業化進程。另一方面他們將功能性富勒烯衍生物用作有機和鈣鈦礦太陽能電池的電子修飾層，可降低器件制備溫度和鈍化鈣鈦礦缺陷態，實現電池效率和穩定性的大幅度提升。

相關優質文獻推薦：

1. Self-Doping Fullerene Electrolyte-Based Electron Transport Layer for All-Room-Temperature-Processed High-Performance Flexible Polymer Solar Cells,?Advanced Functional Materials,?2018，DOI:10.1002/adfm.201705847

2. New Strategy for Two-Step Sequential Deposition: Incorporation of Hydrophilic Fullerene in Second Precursor for High-Performance p-i-n Planar Perovskite Solar Cells, ?2018，DOI:10.1002/aenm.201703054.

3. Flexible and Semitransparent Organic Solar Cells, Advanced Energy Materials, 2018,?DOI:?10.1002/aenm.201701791

4. ?High-Performance Colorful Semitransparent Polymer Solar Cells with Ultrathin Hybrid-Metal Electrodes and Fine-Tuned Dielectric Mirrors, Advanced Functional Materials,?2017, 27，?1605908.

5. Fullerene Derivatives for the Applications as Acceptor and Cathode Buffer Layer Materials for Organic and Perovskite Solar Cells,?Advanced Energy Materials, ?2017，7，?1601251

6.? High-efficiency robust perovskite solar cells on ultrathin flexible substrates,?Nat. Commun.?2016， 7，10214.

7. Multifunctional Fullerene Derivative for Interface Engineering in Perovskite Solar Cells，?Journal of the American Chemical Society， 2015，137，15540