适合于印刷制备的钙钛矿太阳电池的新型聚合物电子传输界面材料

Energy-huangfei随着社会发展对新能源需求的增加,太阳能源的有效利用越来越受到广泛关注,太阳能光伏转换技术是近些年来迅速发展的研究领域,其中可使用溶液加工法制备的钙钛矿太阳电池作为一种新型太阳电池技术显示出了巨大优势。与传统晶体硅太阳电池相比,钙钛矿太阳电池具备吸收强,迁移率高,载流子寿命长,可调控带隙以及可采用多种方式加工等优点。在过去几年里钙钛矿薄膜器件的制备取得了突破性进展,光电能量转换效率已经超过20%,优于其它溶液加工制备的薄膜太阳电池,应用潜力巨大。然而,目前在平面异质结结构的钙钛矿薄膜太阳电池中主要采用氧化钛及富勒烯衍生物PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester)等作为钙钛矿太阳电池的电子传输层材料。氧化钛材料多数需要500℃高温加工,少数低温加工的氧化钛薄膜又存在大量的缺陷阻挡载流子传输,而富勒烯衍生物合成工艺复杂、提纯困难、价格昂贵,均不符合大面积卷对卷工业化生产的要求。

华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室黄飞教授、叶轩立教授课题组与华中科技大学光电国家实验室王鸣魁教授课题组在这一方向开展深入合作研究,他们发展了一类侧链带有胺基的基于萘二并酰亚胺与芴共聚物的新型N型共轭聚合物材料,这一材料可取代PCBM作为电子传输层,应用于钙钛矿太阳电池中,获得了16.7%的光电转换效率。经研究发现,这一电子传输材料在具有较高电子迁移率的同时,又具有良好的界面修饰性能,在金属银表面旋涂此类材料后,可将银的功函由4.6eV降至3.9eV,可有效降低器件中电子传输的势垒。进一步的研究结果表明,这一新型N型共轭聚合物材料侧链所含的胺基对钙钛矿表面缺陷具有明显钝化作用,能够与未配位的铅离子形成化学键相互作用,减少器件中载流子的复合,有利于电子的抽取,最终器件性能相比于以PCBM为电子传输层的参比器件有明显提高。而且由于这一材料较高的电子迁移率,应用此聚合物材料的器件性能对电子传输层厚度的依赖性较低,当其厚度进一步增加至200纳米时,器件效率仍可保持在14%以上,这对于将来实现卷对卷的大面积工艺生产非常有利,为实现卷对卷大面积印刷钙钛矿薄膜太阳电池提供了可能。相关结果发表在(Advanced Energy Materials , 2015, DOI: 10.1002/aenm.201501534)上。

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