武漢理工大學Adv.Funt.Mater.：高效空穴傳輸層—共軛小分子用于高效p-i-n型鈣鈦礦太陽能電池！

編輯部實習生 6年前 (2017-07-28) 6972瀏覽

【引言】

有機無機雜化鈣鈦礦具有優異的光電性能：帶隙可調、光吸收強、載流子擴散長度長以及擁有雙極性電荷傳輸能力，使得鈣鈦礦太陽能電池的發展十分迅速，效率從2009年的3.8%提升到如今的22.1%。倒置平面異質結(p-i-n)型鈣鈦礦太陽能電池具有制備工藝簡單、效率高和遲滯效應低等優點，因此受到研究者的廣泛關注。對鈣鈦礦進行成分設計和形貌優化可以有效提升器件的性能，此外電荷傳輸材料的選擇也是影響器件性能和穩定性的重要因素。常用的空穴傳輸材料(HTMs)包括有PEDOT:PSS、無機材料（Cu2O、NiOX等）、P型聚合物（PTAA、poly-TPD和c-OTPD等）以及共軛小分子材料。PEDOT:PSS作為一種應用最廣泛的空穴傳輸材料存在以下兩個缺點：1. PEDOT:PSS的親水特性導致器件會吸收大氣中的水分影響器件的穩定性；2.PEDOT:PSS的酸度會腐蝕ITO。這兩個缺點會導致PEDOT:PSS/鈣鈦礦界面產生不可逆轉的惡化，從而導致器件性能下降。此外鈣鈦礦的前驅體也會導致PEDOT:PSS的功函數下降，進而使得器件的開路電壓下降。Cu2O、NiOX等無機空穴傳輸材料具有很好的空氣穩定性、價帶深、材料便宜等優點，但是為了避免高的串聯電阻，Cu2O需要制備成幾個納米厚度；同時NiOX也存在浸潤性差會導致鈣鈦礦薄膜生長不均勻的問題。P型聚合物中的PTAA被廣泛用于替代p-i-n型鈣鈦礦電池中PEDOT:PSS，黃勁松教授將無摻雜PTAA用于鈣鈦礦電池成功將電池效率提升至19.4%，摻雜后效率達到20.4%，但是這類聚合物空穴傳輸材料的電荷傳輸性能較弱，需要經過摻雜或者后處理后才能得到補償。共軛小分子的化學結構和光電性能能夠通過分子工程得到調控，是一種高效鈣鈦礦太陽能電池的新型空穴傳輸材料。例如，通過采用TPASBP和TPASB兩種共軛小分子作為空穴傳輸層，器件效率分別達到17.4%和17.6%。從這些報道中，很少有小分子被報道作為p-i-n型鈣鈦礦電池的空穴傳輸層。同時，利用上述小分子提升鈣鈦礦電池的穩定性也未見報道。因此，使用小分子空穴傳輸材料的鈣鈦礦電池是否能夠媲美甚至超越其他種類的空穴傳輸層鈣鈦礦電池效率，并且器件是否擁有很長的壽命，這一事實尚不明了。

【成果簡介】

近日，武漢理工大學王濤教授在Adv.Funt.Mater.上發表了一篇題為：“Conjugated Small Molecule for Efficient Hole Transport in?High-Performance p-i-n Type Perovskite Solar Cells”的文章。該研究將共軛小分子材料TAPC用于替代p-i-n型鈣鈦礦太陽能電池中PEDOT:PSS作為空穴傳輸層，成功將器件效率從12.9%提升到18.8%。并且TAPC具有疏水特性，器件的穩定性也得到了很大的提升。更為重要的是，器件的性能與TAPC的厚度沒有依賴關系，這意味著器件制備時不需要考慮TAPC層的厚度，使得器件更加容易制備。

【圖文導讀】

圖1：ITO/HTM/MAPbI3/PCBM/Ag鈣鈦礦太陽能電池的結構圖、能帶圖和TAPC的化學結構

(a). ITO/HTM/MAPbI3/PCBM/Ag鈣鈦礦太陽能電池的側面圖；

(b). ITO/HTM/MAPbI3/PCBM/Ag鈣鈦礦太陽能電池的垂直結構圖，比例尺為500nm；

(c).器件的能帶圖；

(d).TAPC的化學結構。

圖2：電池材料形貌和結構表征

(a,d).PEDOT:PSS和TAPC-120薄膜的表面2D SPM圖，插圖為接觸角；

(b,e). PEDOT:PSS薄膜和TAPC-120薄膜的表面3D SPM圖；

(c,f). 生長在PEDOT:PSS和 TAPC-120兩種不同薄膜上的MAPbI3的SEM圖，插圖為接觸角；

(g).PEDOT:PSS、TAPC-120、Perovskite/ PEDOT:PSS和Perovskite/ TAPC-120薄膜的表面線掃圖；

(h).c和f圖的晶粒尺寸統計分布圖；

(i). 生長在PEDOT:PSS和 TAPC-120薄膜上的MAPbI3的XRD圖。

圖3：TAPC-RT厚度、退火溫度、退火時間對器件性能的影響

(a).不同TAPC-RT厚度下的鈣鈦礦太陽能電池的正反掃效率；

(b).30nmTAPC-HTL厚度下，器件正反掃效率與退火溫度的關系；

(c).30nmTAPC-120 HTL厚度下，器件正反掃效率與退火時間的關系。

圖4：器件的J-V曲線、穩態光電流輸出和效率穩定性、EQE曲線和器件效率統計分布

??????????????? ???????????????????

(a).Perovskite/TAPC-120器件的正反掃J-V曲線；

(b).效率最高器件在最大功率點的穩態光電流輸出和效率的穩定性；

(c).器件的EQE曲線和Jsc積分曲線；

(d).以 TAPC-RT, TAPC-120和TAPC-160作為HTL，電池效率的統計分布曲線。

圖5：TAPC-RT和TAPC-120薄膜的厚度檢測，DSC熱譜

(a). 第一次退火冷卻循環過程中，TAPC-RT和TAPC-120薄膜厚度的變化；

(b).在10℃每分鐘的加熱速率下，用DSC熱譜圖分析TAPC-RT, TAPC-120, 和 TAPC-160薄膜的熔融峰。

圖6：Perovskite/TAPC薄膜的吸收譜、PL譜和TRPL，TAPC薄膜的透過率

(a). Perovskite/TAPC薄膜的吸收譜，TAPC薄膜的透過率；

(b). Perovskite/TAPC薄膜的歸一化PL譜；

(c). Perovskite/TAPC和Perovskite/glass的TRPL，峰值發射波長為770nm。

圖7：TAPC-RT、TAPC-120和TAPC-160基鈣鈦礦電池的阻抗譜

AM1.5G，0.6V偏壓下，TAPC-RT、TAPC-120、TAPC-160的阻抗譜

圖8：PEDOT:PSS和TAPC-HTL基器件的PCE、FF、Jsc、Voc的穩定性

PEDOT:PSS 和TAPC120基鈣鈦礦太陽能電池隨著存儲時間延長PCE、FF、Jsc和Voc的變化。存儲環境相對濕度在50-85%之間。

【小結】

將共軛小分子材料-TAPC作為空穴傳輸材料替代了傳統的鈣鈦礦中的PEDOT:PSS，將器件效率從12.9%提升至18.8%，同時，新器件擁有比傳統器件更加好的空氣穩定性。這項研究表明TAPC是一種高效的空穴傳輸材料，可用于高效穩定的倒置平面異質結的鈣鈦礦太陽能電池。

文獻鏈接:Conjugated Small Molecule for Efficient Hole Transport in High-Performance p-i-n Type Perovskite Solar Cells (Adv.Funt.Mater.,2017,DOI: 10.1002/adfm.201702613)

本文由材料人編輯部劉于金編譯，丁菲菲審核，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！

標簽：
分享到