蘇大李永舫團隊李耀文教授Adv. Mater.: 界面工程的“靶向治療”策略實現高效率、高穩定性p-i-n型平面異質結鈣鈦礦太陽能電池

kv1004 4年前 (2019-09-09) 4860瀏覽

【引言】

平面p-i-n鈣鈦礦太陽能電池由于其簡單的器件結構、可溶液加工，低溫制備等優點引起了科研工作者的廣泛關注，并獲得了快速發展。目前，平面p-i-n鈣鈦礦太陽能電池的效率已經超過了21%，其中PCBM作為已經商業化的電子傳輸層材料由于具有可鈍化鈣鈦礦缺陷以及高效抽提電子能力等優點被廣泛采用。但是，由于PCBM在鈣鈦礦薄膜上的覆蓋度差、水阻隔能力弱、能級匹配差、以及對鈣鈦礦表面未配位的Pb2+離子缺陷鈍化效果不佳等原因，制約著基于PCBM電子傳輸層的p-i-n型平面異質結鈣鈦礦太陽能電池效率和穩定性的進一步提升。因此，開發新型ETL材料來改善缺陷非常重要。

【成果簡介】

蘇州大學李永舫院士團隊李耀文教授等人報道了提出“靶向治療”策略來開發高效率和高穩定性的鈣鈦礦太陽能電池。他們合成了易制備的和疏水的富勒烯衍生物PCBB-S-N，并用它作為p-i-n型平面異質結鈣鈦礦太陽能電池的電子傳輸層材料。所得到的鈣鈦礦太陽能電池不僅具有高于PCBM為電子傳輸層的器件效率，而且無封裝在相對濕度為40%–50%的環境中運行1000小時和在85℃的溫度下被加熱500小時后性能幾乎不衰減。此外，PCBB-S-N作為鈣鈦礦和PCBM之間的媒介層時，PCBB-S-N依然具有“靶向治療”效應，同時還可以誘導PCBM生長形成致密、均一的電子傳輸層。上述成果于近日發表在期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1.

a)PCBB-S-N的合成路線和結構

b)基于不同電子傳輸層的p-i-n型平面異質結鈣鈦礦太陽能電池的器件結構

c)基于不同電子傳輸層的p-i-n型平面異質結鈣鈦礦太陽能電池的能級圖

圖2.

a) MAPbI3鈣鈦礦薄膜和PCBB-S-N的紅外光譜

b) MAPbI3鈣鈦礦薄膜的XPS譜圖

c )MAPbI3鈣鈦礦（001）晶面的電子云密度分布圖

d) PCBB-S-N在（110）晶面上具有的反位缺陷

e)水分子和PCBB-S-N中的各個官能團之間的氫鍵能

圖3.

a)鈣鈦礦薄膜的SEM圖

b)60-nm-PCBM薄膜覆蓋的鈣鈦礦的SEM圖

c)60-nm-PCBB-S-N薄膜覆蓋的鈣鈦礦的SEM圖

d) 10-nm-PCBB-S-N和60-nm-PCBM覆蓋的鈣鈦礦的SEM圖

e)理論計算模擬PCBM/PCBM分子間的相互作用

f)理論計算模擬PCBB-S-N/PCBB-S-N分子間的相互作用

g)理論計算模擬PCBB-S-N/PCBM分子間的相互作用

h)不同分子之間的非鍵能

圖4.

a)基于不同電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線圖

b)基于不同電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的穩態光電流輸出圖

c)基于不同電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的EQE曲線

d)基于不同電子傳輸層的鈣鈦礦電池的效率統計圖

圖5.

a)基于不同電子傳輸層的鈣鈦礦薄膜的PL和TRPL譜圖

b)基于不同電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的交流阻抗譜圖

c)基于不同電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓和光強度之間的關系

d)基于不同電子傳輸層的SCLC圖譜

圖6.

a)器件在空氣環境中，濕度為40%-50%條件下的濕度穩定性

b)器件在N2手套箱中,器件在85℃下連續加熱狀態下的熱穩定性

c)水滴在鈣鈦礦表面上對鈣鈦礦薄膜降解的光學照片。

【小結】

通過精準設計、合成功能性富勒烯衍生物作為鈣鈦礦和PCBM之間的媒介層，不僅可以誘導PCBM薄膜生長，改善基于PCBM電子傳輸層的平面異質結鈣鈦礦太陽能電池器件穩定性較差的難題，還可以治愈鈣鈦礦薄膜中的缺陷，優化器件能級，最終實現電池性能的進一步提高，為p-i-n型平面異質結鈣鈦礦太陽能電池走向商業化提供了新途徑。

文獻鏈接：Targeted Therapy for Interfacial Engineering Toward Stable and Efficient Perovskite Solar Cells（Adv. Mater.，2019，DOI：10.1002/adma.201903691）

作者介紹：

李耀文，教授，博士生導師。長期從事有機、鈣鈦礦太陽能電池材料合成及器件制備相關研究。尤其在界面工程、柔性太陽能電池關鍵制備工藝及材料方面取得了一系列研究成果。迄今，共發表SCI論文60余篇，其中第一作者及通訊作者身份在Joule, Nat. Commun., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater，Adv. Energy Mater., Energy Environ. Sci.等高水平雜志上發表SCI論文40篇，被引用3000余次，h-因子31。其中，ESI熱點論文2篇，ESI高被引論文6篇。

獲得國家自然優秀青年科學基金、蘇州市托舉人才、仲英青年學者，江蘇省優秀青年基金項目等人才項目。主持國家自然科學基金面上項目、國家自然科學基金青年項目等省部級項目6項，橫向項目2項。作為項目骨干參加面向能源光電轉換重大研究計劃集成項目、重點國際合作研究項目。

在該領域工作匯總：

李永舫院士團隊李耀文課題組近年來基于有機半導體材料在平面型鈣鈦礦太陽能電池以及有機太陽能電池的界面工程工作方面取得了一系列成果。2015年合成了含氰基的三嵌段富勒烯衍生物(PCBB-2CN-2C8)，并用于修飾金屬氧化物TiO2的表面，抑制了氧空位，提高了電子傳輸層的電荷提取能力，實現了電池效率和光穩定性的顯著提升；1合成了親水性功能富勒烯衍生物PCBB-OEG，通對MAI前驅體摻雜的方法獲得了分子模板誘導高晶格取向、低缺陷態鈣鈦礦的生長；2進一步，利用超薄體異質結有機半導體（PBDB-T:ITIC）層作為空穴傳輸層和活性層之間的中間層，不僅可以形成梯度能級，而且還鈍化了鈣鈦礦表面的反位缺陷，有效降低了電池的能量損失；3提出了利用高電導率的富勒烯有機電解質替代ZnO作為電子傳輸層的思路，實現了全室溫柔性太陽能電池的制備，其效率達到了10.04%，為當時報道的柔性有機太陽能電池的最高效率，同時極大改善了太陽能電池的耐彎曲性。4，5該團隊多年來致力于基于有機半導體材料的界面工程，實現了太陽能電池性能的顯著提升，拓展了在半透明、柔性太陽能電池方面的應用。6，7

優質文獻推薦：

  1. Y. W. Li, Y. Zhao, Q. Chen, Y. M. Yang, Y. Liu, Z. Hong, Z. Liu, Y. T. Hsieh, L. Meng, Y. F. Li, Y. Yang, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 15540.
  2. G. Xu, R. Xue, W. Chen, J. Zhang, M. Zhang, H. Chen, C. Cui, H. Li, Y. W. Li, Y. F. Li, Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1703054.
  3. G. Xu, P. Bi, S. Wang, R. Xue, J. Zhang, H. Chen, W. Chen, X. Hao, Y. W. Li, Y. F. Li, Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1804427.
  4. J. Zhang, R. Xue, G. Xu, W. Chen, G.-Q. Bian, C. Wei, Y. W. Li, Y. F. Li, Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1705847.
  5. J. Zhang, G. Xu, F. Tao, G. Zeng, M. Zhang, Y. M. Yang, Y. W. Li, Y. F. Li, Adv. Mater. 2019, 31, 1807159.
  6. Y. W. Li, L. Meng, Y. M. Yang, G. Xu, Z. Hong, Q. Chen, J. You, G. Li, Y. Yang, Y. F. Li, Nat. Commun. 2016, 7, 10214.
  7. C. Cui, Y. W. Li, Y. F. Li, Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1601251.

本文由kv1004供稿。感謝李永舫院士和李耀文教授在百忙中對本文進行校稿。

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