電子科大郝鋒教授團隊JMCA：低成本輔酶Q10作為倒置鈣鈦礦太陽能電池的電子傳輸材料

Alisa 4年前 (2019-08-07) 4093瀏覽

引言：

鈣鈦礦以其長的載流子擴散長度、長的載流子復合壽命和寬的太陽光吸收光譜成為低成本、高性能鈣鈦礦太陽電池（PSCs）的高效光吸收材料。倒置平面結構的PSCs，通常使用富勒烯衍生物[6,6]-苯基-C61-異甲基丁酸鹽（PC61BM）作為電子傳輸材料。PC61BM的遷移率可以滿足PSCs的要求，但由于制備工藝復雜，成本問題突出。同時，PC61BM的結構不易改性，在高溫退火條件下傾于富集。此外，該分子對氧和水敏感，使得PSCs的長期穩定性受到嚴重制約。因此，我們急需開發一種替代的電子傳輸材料。

成果簡介：

近日電子科技大學郝鋒教授團隊首次提出使用低成本的輔酶Q10作為電子傳輸材料，制備出了穩定性高，光電轉換效率與PC61BM基準相當的倒置結構PSCs。通過穩態和時間分辨光致發光光譜、空間電荷限制電流和莫特-肖特基等測試表明，輔酶Q10不僅具有高效的載流子傳輸和注入能力，同時能鈍化鈣鈦礦與電子傳輸層的界面缺陷。密度泛函理論計算的差分電荷密度也驗證了輔酶Q10的能從鈣鈦礦中獲得更多的電荷傳輸。另外，輔酶Q10分子的烷基鏈有優異的疏水性，附著在鈣鈦礦表面可保護鈣鈦礦免受氧和水的影響，提高電池的穩定性。這項工作突出了輔酶Q10作為倒置PSCs的電子傳輸材料PC61BM廉價替代品的巨大潛力。相關研究成果以“Low-Cost Coenzyme Q10 as Efficient Electron Transport Layer for Inverted Perovskite Solar Cells”為題發表在《Journal of Materials Chemistry A》上，材料與能源學院博士研究生謝莉莎為論文第一作者，李廷帥副教授，牛曉斌教授和郝鋒教授為共同通訊作者。該項工作得到了國家自然科學基金和國家青年特聘專家啟動經費的支持。

圖文導讀：

圖1 PC61BM和輔酶Q10的能級測試

PC61BM和輔酶Q10的紫外光電子光譜，插圖是PC61BM和輔酶Q10的分子結構

圖2：PC61BM和輔酶Q10電荷傳輸性能的表征

a)PC61BM和輔酶Q10在暗場下電導率測試的J-V曲線；鈣鈦礦/Q10、鈣鈦礦/PC61BM和鈣鈦礦薄膜的穩態光致發光光譜b）和時間分辨光致發光光譜c）。

圖3：鈣鈦礦與PC61BM和輔酶Q10的差分電荷密度和布局分析

a）輔酶Q10/FAPbI3和c）PC61BM/ FAPbI3的差分電荷密度， b）輔酶Q10/ FAPbI3和d）PC61BM / FAPbI3的布局分析。

圖4：基準PC61BM和輔酶Q10的倒置結構鈣鈦礦太陽能電池性能測試

a） 基于PC61BM和輔酶Q10光電轉換效率最高的電池的J-V曲線；b）冠軍電池的IPCE光譜和相應的積分JSC；c）在恒定的最大功率點的偏壓下測量的冠軍電池的穩態光電流和輸出功率；36個電池的d）JSC、e）VOC、f）FF和g）PCE統計圖。

圖5：鈣鈦礦和電子傳輸層界面電荷復合以及缺陷密度的表征

a）JSC對不同光強度和b）VOC對不同光強度的基于冠軍Q10和PC61BM電池的曲線；c）FTO/Perovskite/ETL/Ag的SCLC圖；d）FTO/Perovskite/ETL/Ag的1 kHz下的Mott–Schottky曲線。

圖6：基準PC61BM和輔酶Q10電池的穩定性測試

在30℃，25%的相對濕度下保存的基準PC61BM和輔酶Q10電池效率隨時間變化。插圖a) PC61BM和b）輔酶Q10涂在鈣鈦礦表面的接觸角測試

小結：

倒置結構鈣鈦礦太陽能電池通常使用PC61BM作為電子傳輸材料，由于其高成本且對水氧敏感，嚴重限制了這類電池的工業化。研究者們利用廉價的輔酶Q10作為該類電池的電子傳輸材料，成功制備出了光電轉換效率高達14.34%的電池，相同條件下PC61BM基準的為16.30%。此外，由于輔酶Q10有長的烷基鏈，相應的電池器件在30℃，25%的相對濕度下保存120h還能保持83%的初始效率，而PC61BM基準器件的僅有68%。這項工作證明了低成本輔酶Q10在倒置鈣鈦礦太陽能電池中作為非富勒烯電子傳輸材料替代品的巨大潛力。?

論文鏈接：Low-Cost Coenzyme Q10 as Efficient Electron Transport Layer for Inverted Perovskite Solar Cells（Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7, 18626 - 18633）

DOI: 10.1039/C9TA06317J

原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/ta/c9ta06317j

本文由電子科技大學郝鋒課題組供稿。

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