電子科技大學劉明偵教授團隊Nano Energy：通過抑制Spiro-OMeTAD中鋰鹽的團聚提高鈣鈦礦太陽能電池效率

引言

雜化鈣鈦礦太陽能電池（PSC）由于其優越的光電性能受到了越來越多的科研工作者的關注。有機小分子材料Spiro-OMeTAD由于其理想的特性（例如合適的最高占據分子軌道能級，高溶解度和良好的成膜性）而被廣泛用作鈣鈦礦太陽能電池中的空穴傳輸材料。為了進一步改善基于Spiro-OMeTAD的空穴傳輸層（HTL）的性能，鋰鹽（Li-TFSI）常作為添加劑以提高其導電性。極易團聚和吸水性導致空穴傳輸層中薄膜出現孔洞等問題，這嚴重限制了鈣鈦礦太陽能電池效率的進一步提高。

成果簡介

近日，電子科技大學劉明偵教授團隊開發了一種低成本且易于實現的高效率鈣鈦礦太陽能電池的方法。對基于Spiro-OMeTAD的空穴傳輸層通過使用少量的PbI₂作為添加劑來抑制空穴傳輸層薄膜中的孔洞，從而進一步提高器件的光電性能。作者利用掃描電子顯微鏡（SEM），透射電子顯微鏡（TEM）以及原子力顯微鏡（AFM）發現加入PbI₂的空穴傳輸層的薄膜形貌相比于對照組有明顯的改善。進一步利用DFT計算發現，空穴傳輸層中的添加物PbI₂和TBP由于分子間的相互作用可以形成絡合物。這種絡合物能夠有效阻礙Li-TFSI的團聚和傳輸層孔洞的的產生。作者又進一步分析了PbI₂的摻入對器件光電性能的影響。空間電荷限制電流法（SCLC），電化學阻抗譜（EIS），熒光光譜（PL）等測試結果顯示，PbI₂可以提高空穴傳輸層中的空穴遷移率，降低鈣鈦礦和空穴傳輸層界面的電荷復合速率并提高電荷抽取速率。因此，修飾后的空穴傳輸層載流子遷移率和電荷載流子提取效率顯著提高，最終通過優化后的太陽能電池器件，可以獲得超過20％的光電轉換效率。這項工作為提高HTL材料和鈣鈦礦太陽能電池的性能提供了一種簡單有效的方法。

相關的研究成果以題為“Inhibited aggregation of lithium salt in spiro-OMeTAD toward highly efficient perovskite solar cells”發表在Elsevier出版社旗下Nano Energy雜志上。電子科技大學材料與能源學院為論文第一單位，劉洋和胡逾超博士為共同第一作者，劉明偵教授為通訊作者。

圖文簡介

Figure 1. 材料及器件制備示意圖及器件形貌表征

（a）PbI₂和TBP前驅體溶液制備示意圖，（b）器件的制備過程示意圖，（c-f）SEM形貌圖，（g）PbI₂對鋰鹽團聚影響的原理示意圖。

Figure 2. 摻入PbI₂對空穴傳輸層形貌的表征分析

摻雜PbI₂前后的空穴傳輸層的形貌表征。（a）（c）TEM圖像，（b）（d）EDX元素分析，（e）（f）AFM圖像，（g）（h）AFM圖像的三維結構。

Figure 3. PbI₂與TBP形成的絡合物的表征分析

（a）紫外燈下的光學照片，（b）TBP，PbI₂，TBP+ PbI₂的XRD譜，（c）DFT計算的形成不同絡合物的相應的吉布斯自由能，（d）稀釋后液態UV-vis譜，（e）絡合物配位的球棍模型示意圖。

Figure 4. 摻入PbI₂后對器件電學性能的影響

（a-c）空穴傳輸層摻雜前后電化學阻抗譜測試，（d）紫外光電子能譜，（e）穩態熒光發射譜，（f）時間分辨熒光光譜。

Figure 5. 太陽能電池的光伏性能測試

（a）不同PbI₂摻雜量的鈣鈦礦太陽能電池器件效率分布統計圖，（b）修飾前后最佳器件的J-V曲線，（c）最高效率器件在最大功率點的穩態輸出，（d）最佳器件的光響應測試。

小結

綜上所述，作者深入透徹地分析了PbI₂作為添加物對空穴傳輸層形貌和載流子行為的影響。試驗結果表明，通過抑制Li-TFSI的聚集，修飾后HTL的形貌有了明顯的提升，同時極大地提高了載流子遷移率和電荷載流子抽取效率，獲得了超過20%的光電轉換效率。而且修飾后的鈣鈦礦太陽能電池器件表現出快速的瞬態響應（<1s）以達到穩態，這一結果在很大程度上超過無PbI₂添加物的器件。這一工作提供了一種新策略來制備無空洞的HTL，以增強電荷載流子的傳輸，將有助于PSC性能的進一步提高。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104483

Inhibited aggregation of lithium salt in spiro-OMeTAD toward highly efficient perovskite solar cells (Nano Energy, 2019, accepted)

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