上海交大最新Sciece：鈣鈦礦太陽能電池中穩定的空穴傳輸

鈣鈦礦太陽能電池中穩定的空穴傳輸

【導讀】

具有高功率轉換效率(PCEs)的金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)通常包含鋰鹽摻雜的有機空穴傳輸層(HTLs)，這可能會導致嚴重的器件不穩定性問題。例如，吸濕性鋰鹽會導致水分入侵，Li⁺離子遷移到鈣鈦礦中，以及不可逆的器件退化。無機HTLs和無摻雜劑HTLs在穩定性方面提供了巨大的增強，但未能與摻雜的HTLs競爭最有效的PSCs。

另一個穩定性問題來自鈣鈦礦的固有柔軟性質，它允許揮發性碘化物成分進入電荷傳輸層。碘化物可以與HTLs中的正自由基相互作用，并導致空穴電導率和界面帶排列迅速下降，特別是對于依賴摻雜有機HTLs的最有效PSCs。盡管碘化物阻擋屏障和界面工程是阻礙碘化物侵入的有效的策略，但這些方法是否可以完全阻斷Li⁺遷移和碘化物侵入尚未報道。因此，非常需要找到一種可以在大量碘化物侵入下穩定空穴傳輸的無鋰摻雜策略。

【成果掠影】

上海交通大學材料科學與工程學院的楊旭東課題組，報告了一種通過離子交換過程，離子耦合正聚合物自由基和分子陰離子來穩定有機層中空穴傳輸的解決方案策略。研究表明，目標層的空穴電導率是傳統鋰摻雜層的80倍。此外，在 85°C光浸泡200小時引起的極端碘化物侵入后，目標層依舊可以保持高的空穴電導率和良好匹配的能帶排列。這種離子交換策略使鈣鈦礦太陽能電池的制造成為可能，其認證的功率轉換效率為23.9%，在85°C的標準照明下1000小時后仍保持92%。相關論文以題為“Transporting holes stably under iodide invasion in efficient perovskite solar cells”發表在Science上。

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【數據概況】

圖1. 碘化物侵入下Li-HTL和HFDF-HTL的降解

圖2. Li-HTL和HFDF-HTL的Li⁺和自由基含量及電荷傳輸特性

圖3. 原始和不同摻雜HTL的空穴相關特性

圖4. 具有Li-HTL或HFDF-HTL的PSC的結構、光伏性能和長期穩定性研究

【成果啟示】

總之，本工作開發了一種無鋰摻雜有機空穴傳輸層HTL(HFDF-HTL)，通過離子交換過程耦合正聚合物自由基和分子陰離子，從而即使在極端的碘化物侵入下依舊能夠實現穩定的空穴傳輸。HFDF-HTL將空穴電導率提高到傳統鋰鹽摻雜HTL的80倍，在HTL /鈣鈦礦異質結處具有良好的能級排列，并且在新鮮的HFDF-HTL上幾分鐘后實現了高電導率，而傳統的鋰鹽摻雜方法通常需要幾個小時或幾天。此外，通過有機層的空穴傳輸能夠承受高達120°C的溫度下的熱應力。這些結果幫助我們獲得了高效且穩定的PSCs，其認證的PCE為23.9%，并在 AM1.5G太陽光(100 mW cm^-2)下在85°C下以最大功率點運行1000小時后保持 92%。

文獻鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq6235