基于硫基小分子作为电子传输层的高效钙钛矿太阳电池

作为第三代太阳电池的杰出代表,钙钛矿太阳电池在光电转换效率方面取得了飞速的发展,在短短几年时间内其最高效率已经攀升到22.1%,显示了极其广阔的商业化应用前景。在传统高效率的钙钛矿电池中,器件结构一般为介观与平面结构,其电子传输层通常会采用金属氧化物如氧化钛TiO2、氧化锌ZnO、氧化锡SnO2等。该类氧化物在器件的制备过程中往往会涉及到高温退火工艺,这给未来卷对卷(R2R)工艺的钙钛矿电池的商业化生产带来了实际的科学难题。虽然上述金属氧化物亦可通过低温溶液方法制备,但器件的效率及稳定性却不尽如人意。譬如,低温制备的TiO2的电子迁移率较低且电子捕获态密度很高;ZnO前驱体溶液的化学稳定性差且其薄膜的热稳定性不佳;电压-电流曲线的迟滞现象经常会在基于低温溶液过程的SnO2的器件中观察到。除了金属氧化物,富勒烯及其衍生物C60,PC61BM, PC71BM, ICBA也为常见的电子传输层,基于该类材料的钙钛矿电池器件效率除PC61BM外都较低。尽管如此,PC61BM的成本昂贵,且其薄膜在热退火作用下形貌的多样性对器件性能影响较大。相比于金属氧化物及富勒烯衍生物,有机小分子具有易于合成与能级调控性高的优点。此外,在合成过程中,硫原子S能较为容易的引入到分子结构上,在器件中能与钙钛矿中的I及Pb形成易于改善界面特性的S-I或S-Pb键,是一种较为理想的适宜于低温溶液过程的钙钛矿太阳电池的电子传输层。

AENM-zhangqizhun

近日,新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院张其春教授课题组与南方科技大学工学院国家千人计划特聘专家孙小卫讲座教授研究组合作完成了一种新型n型硫基小分子材料的设计合成与器件表征。通过在小分子中成功引入S原子合成了一种名为HATNT的n型材料,该材料的LUMO与HOMO能级分别为-4.0 eV 与-5.62 eV,与钙钛矿材料CH3NH3PbI3具有较好的能级匹配性,且其电子迁移率 (1.73 × 10−2 cm2 V−1 s−1) 高于常见的n型有机材料PC61BM (10-3~10-4量级)。在CH3NH3PbI3/电子传输层的光致发光与荧光寿命测试中,HATNT展示了接近于PC61BM的荧光猝灭能力,显示了双层薄膜中钙钛矿界面良好的电荷转移特性。基于半导体器件物理的光电模拟揭示了HATNT在厚度为20-50 nm时钙钛矿电池的光电效率可高于17%。通过优化制备条件,以HATNT为电子传输层的器件获得了18.1%的光电转化效率,明显优于基于传统n型有机材料PC61BM的16.2%。该效率为目前基于有机材料作为电子传输层的钙钛矿电池的最高效率之一。进一步通过电化学阻抗谱的测试表明,与PC61BM相比,钙钛矿与HATNT的界面具有更高的复合电阻Rrec,这意味着在HATNT的器件中光生电荷的复合能被更有效的抑制,从而更利于器件中的电荷传输与收集。

该工作的研究结果为钙钛矿太阳电池的发展提供了一种合成新型n型材料的技术路线,对未来低温溶液过程的大面积化钙钛矿电池商业化模组的发展具有重要意义。相关工作发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201700522)上。

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