Energy Environ. Sci. 清華大學：以極低比例n型高效摻雜的反向鈣鈦礦太陽能電池

【引言】

有機-無機鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）以其低成本、高效率的優勢，成為了光伏領域潛在運用的有力競爭者，也引起了人們對有機半導體材料的大量研究。雖然反向結構的鈣鈦礦太陽能電池已經取得了極高的效率，但是由于電子傳輸材料PCBM的電子遷移率和導電性低，導致了相當低的短路電流。n型摻雜是提高鈣鈦礦太陽能電池短路電流的有效途徑，然而傳統的n型摻雜會導致開路電壓和填充因子大幅度地降低，從而無法獲得高效率的電池。而且高效n型摻雜到目前為止還很少報道，因此非常需要發展一種摻雜性能更好的新n型摻雜劑。

【成果簡介】

清華大學的段煉研究員和王立鐸教授（共同通訊作者）等設計和合成了一系列的具有不同摻雜能力的摻雜劑，1,3-Dimethyl-2-phenyl-2,3-dihydro-1H-benzoimidazole（DMBI）的衍生物，并且用這些n型摻雜劑來提高PCBM的電子遷移率和導電性。結果證明了通過一個更強的n型摻雜劑，就能夠以極低的摻雜比例提高短路電流，同時也能提高填充因子以及最大限度地減少開路電壓的損失。采用其中一個最強的摻雜劑摻雜，結果以0.05%的極低摻雜濃度就在反向鈣鈦礦太陽能電池中獲得了超過18%的光電轉換效率。這些結果打開了新型有機n型摻雜劑發展的道路，也提供了高性能反向鈣鈦礦太陽能電池。

【圖文導讀】

圖1、新n型摻雜劑的基本特征

（a） 氫和電子轉移的摻雜機理

（b） 設計的有機自由基的SOMO能量和SOMO的電子密度圖

（c） 設計的前驅體分子結構

圖2、不同n型摻雜劑摻雜的PCBM光學表征

（a） 純的PCBM和n型摻雜的PCBM的電子順磁共振（ESR）譜

（b） 純的PCBM和n型摻雜的PCBM的紫外可見近紅外吸收光譜

圖3、純的PCBM和n型摻雜的PCBM薄膜的電學表征

純的PCBM和n型摻雜的PCBM薄膜的J-v曲線

圖4、電池器件結構及性能表征

（a） 反向鈣鈦礦太陽能電池的結構示意圖

（b） 相應的能級圖

（c） J-v曲線

（d） 無摻雜及0.05%w摻雜的鈣鈦礦太陽能電池的穩定功率輸出

圖5、表面粗糙度及少子壽命表征

（a） 鈣鈦礦、鈣鈦礦/PCBM、鈣鈦礦/H3：PCBM的AFM圖

（b） 鈣鈦礦、鈣鈦礦/PCBM、鈣鈦礦/H3：PCBM的時間分辨熒光光譜

圖6、鍵能表征及能級圖

（a） 純的PCBM和不同摻雜濃度H3摻雜PCBM的UPS譜

（b） 純的PCBM和不同摻雜濃度H3摻雜PCBM的能級圖

文獻鏈接：Efficient n-type dopants with extremely low doping ratios for high performance inverted perovskite solar cells?（Energy Environ. Sci., 2016，DOI: 10.1039/c6ee01987k）

本文由材料人編輯部電子電工學術組lyh_wv供稿，材料牛編輯整理。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

材料人網尊重所有進行知識傳播的媒體，轉載請聯系tougao@cailiaoren.com。