Angew. Chem. Int. Ed.: 苝二酰亞胺/富勒烯作電子傳輸層顯著提升反式鈣鈦礦電池效率和穩定性

【引言】

有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池因其高的光電轉換效率及簡單廉價的制備工藝，在光伏領域掀起了新的研究熱潮，是當前發展最快的新一代薄膜光伏器件。經過近十年的研究發展，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已經從3.8% 躍升至目前的最新認證效率24.2%，與商業化的晶硅太陽能電池相當。以器件結構分類，鈣鈦礦電池可分為正式結構 (n-i-p)和反式結構 (p-i-n)，與前者相比，反式結構器件因制備工藝簡單、可低溫成膜、無明顯遲滯效應等優點受到越來越多的關注。PCBM因其優異的電子遷移率、與鈣鈦礦匹配的能級結構、能有效鈍化鈣鈦礦缺陷以及可低溫溶液制備等優勢，已廣泛使用作為反式鈣鈦礦器件的電子傳輸層，然而其光化學不穩定性限制了器件效率及穩定性的進一步發展。已有研究報道π-共軛有機材料?苝二酰亞胺 (PDI) 具有較高的導電性和遷移率，同時可以隔離鈣鈦礦薄膜、鈍化表面缺陷并防止鈣鈦礦分解，然而基于PDI為電子傳輸層的電池效率卻不如人意。因此實現PCBM和PDI優勢的結合將有望實現反式鈣鈦礦電池效率和穩定性的進一步發展。

【成果簡介】

近日，武漢大學楊楚羅教授、西南大學朱琳娜副教授、香港科技大學楊世和教授（共同通訊作者）等人報道了一種苝二酰亞胺/富勒烯雜化物PDI-C₆₀，相比于PCBM，其電子遷移率和分子有序性得到改善。此外，在PDI中的一些含有孤對電子的原子或基團可與鈣鈦礦中未配位的Pb原子形成配位鍵，進而有效改善器件穩定性。基于PDI-C₆₀為電子傳輸層的鈣鈦礦電池最高效率可達18.6%，遠遠高于PCBM (16.6%) 和PDI (13.3%)為電子傳輸層的器件，同時器件穩定性也得到明顯改善。研究人員利用飛行時間?二次離子質譜儀 (TOF-SIMS)揭示其穩定性改善機理，表明PDI-C₆₀對薄膜起到了很好的隔離作用，阻止了鈣鈦礦的分解，從而提高了器件的穩定性。相關成果以題為 “ Designing Perylene Diimide/Fullerene Hybrid as Effective Electron Transporting Material in Inverted Perovskite Solar Cells with Enhanced Efficiency and Stability ”發表在Angew. Chem. Int. Ed.上，武漢大學的博士生羅正輝和西南大學吳飛博士為論文的共同第一作者。

【圖文導讀】

圖一 PDI-C₆₀合成路線

圖二 PDI-C₆₀的能級結構表征

(a) PDI-C₆₀的循環伏安掃描曲線，以此估計LUMO能級；
(b) PDI-C₆₀的氯仿溶液和薄膜的紫外-可見吸收光譜，以此估計帶隙；
(c) 鈣鈦礦器件中所用材料的能級示意圖；
(d) 反式鈣鈦礦電池器件結構圖。

圖三 鈣鈦礦電池器件性能表征

(a) 電池J-V性能曲線；
(b) 電池IPCE光譜和積分電流曲線；
(c) 正反掃J-V性能曲線；
(d) 穩態光電流和效率輸出。

圖四 鈣鈦礦薄膜PL/TRPL光譜表征

圖五 鈣鈦礦器件穩定性測試

(a) 鈣鈦礦電池在大氣環境下的穩定性測試；
(b) 不同電子傳輸層的接觸角測試；
(c, d) 鈣鈦礦器件的TOF-SIMS深度剖面圖

【小結】

研究人員巧妙合成了PDI-C₆₀作為反式鈣鈦礦電池的電子傳輸層，相比于PCBM，具有較淺的HOMO和LUMO值、更高的電子遷移率和更強的疏水性。基于PDI-C₆₀為電子傳輸層的鈣鈦礦電池最高效率可達18.6%，同時PDI-C₆₀對薄膜起到了很好的隔離作用，有效阻止了鈣鈦礦的分解，從而提高了器件的穩定性。該PDI-C₆₀雜化策略為反式鈣鈦礦器件的高效電子傳輸層設計提供了新的研究思路。

文獻鏈接：Designing Perylene Diimide/Fullerene Hybrid as Effective Electron Transporting Material in Inverted Perovskite Solar Cells with Enhanced Efficiency and Stability（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, DOI: 10.1002/anie.201904195）

本文由嚕嚕編譯。

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