Solar RRL 封面:基于三叠烯的高效廉价钙钛矿太阳能电池空穴传输材料

有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池凭借着出色的光电转换效率(PCE)引起了能源科学家的广泛关注,自2009年来其光电转化性能取得突飞猛进的发展,目前最高PCE已突破22.1%。钙钛矿太阳能电池在追求高转换效率的同时,如何不断提高电池稳定性、降低成本、直至走向实用化是当前的研究热点。空穴传输层是钙钛矿太阳能电池的重要组分,对电池效率、稳定性以及生产成本具有至关重要的影响。目前被广泛采用的空穴传输材料是Spiro-OMeTAD,其光电性能表现优异。但由于Spiro-OMeTAD:(1) 合成成本高、提纯困难;(2)作为空穴传输层必须足够厚(通常~200 nm)以实现高转化效率; (3) 需要氧掺杂;极大限制了其钙钛矿太阳能电池的应用推广。因此,开发高效、廉价的新型空穴传输材料成为一大研究热点。

目前,南京理工大学的唐卫华教授和美国托莱多大学的鄢炎发教授课题组合作,在前期四取代咔唑(Nano Energy, 2017, 40, 163-169)和三聚茚核(Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5, 23319-23327)高效空穴传输层材料开发基础上,进一步以新型三蝶烯为核、以EDOT调节能级、通过偶联三苯基胺单元成功合成了一种高效空穴传输材料TET (HOMO = -5.08 eV, LUMO = -2.30 eV)。器件研究发现TET只需30 nm的厚度即可达到效率的最大值,比spiro-OMeTAD(约200 nm)薄上一个数量级,这使得单位器件上使用TET为空穴传输层的成本仅为spiro-OMeTAD的1/25。研究者以TET为空穴传输材料制成了钙钛矿太阳能电池器件, PCE最高至19.14%,稳态效率达到18.6%,与spiro-OMeTAD(19.5% PCE和19.0% 稳态效率)接近。同时,基于TET的器件表现出高达81.4%的填充因子,高于spiro-OMeTAD (79.1%)。研究者通过进一步的理论计算,结合荧光淬灭、时间分辨荧光光谱和空穴迁移率等测试表征,证明TET具有较spiro-OMeTAD更高的空穴迁移率,利于空穴的传输和提取。

值得一提的是,TET作为空穴传输层并不需要氧掺杂,有效避免了器件封装时的PCE损失。即便是未封装的TET 器件,在60%湿度和室温条件下依然显示出良好的稳定性。同时,TET具有出色的溶解性,在器件制备过程中可使用甲苯等非卤溶剂,更适应面向应用推广的大规模溶液生产。因此论文审稿人指出:TET的开发为钙钛矿太阳能的商业化迈出了重要的一步。这一成果近期发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201700175)上, 并被选为该刊2018年首期的封面。

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