Solar RRL:“一石两鸟”–高迁移率疏水共轭高分子界面层提高钙钛矿太阳能电池效率和稳定性

近年来,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池光电转换效率在短时间内迅猛增长到目前23.3%的认证效率,被视为最具有应用潜力的新型高效率太阳能电池之一。众所周知,高效率钙钛矿太阳能电池大部分会采用能级匹配的Spiro-OMeTAD作为高性能空穴传输材料。所谓凡事皆有多性,Spiro-OMeTAD也具有迁移率不足等自身缺点,需要加入添加剂(例如:Li-TFSI和tBP)来提高其空穴迁移率和导电性,而这些添加剂又会不可避免地加速钙钛矿的分解,降低器件的稳定性。为了解决此问题,已有一些工作致力于开发不需要添加剂的新型空穴传输材料,然而大部分不需掺杂的空穴传输材料并不能使钙钛矿太阳能电池达到最优的性能,体现了Spiro-OMeTAD作为明星空穴传输材料的特性。

最近,中科院化学研究所胡劲松研究员课题组与于贵研究员课题组及天津大学化工学院冯亚青教授课题组合作发表了题目为“High-Mobility Hydrophobic Conjugated Polymer as Effective Interlayer for Air-Stable Efficient Perovskite Solar Cells”的文章。发展了一种通过引入高迁移率疏水共轭高分子界面层来解决空穴传输层添加剂导致器件不稳定问题并同时改善器件转换效率的方法。研究人员在钙钛矿太阳能电池的钙钛矿层与传统空穴传输层(Spiro-OMeTAD)间引入一种具有高迁移率的疏水共轭高分子(PD-10-DTTE-7)界面层,显著提高了钙钛矿太阳能电池的空气稳定性和光电转换效率。在前期工作中,于贵研究员课题组合成并报道了新型高迁移率共轭高分子PD-10-DTTE-7,基于OFET器件测试,发现PD-10-DTTE-7的空穴迁移率高达9.54 cm2 V -1S -1 ,高出Spiro-OMeTAD空穴传输材料5个数量级。在本工作中,基于PD-10-DTTE-7合适的HOMO能级(-5.33 eV,MAPbI3为-5.43 eV,Spiro-OMeTAD为-5.22 eV),研究人员设想利用该高迁移率的共轭高分子来增强太阳能电池器件中对空穴的抽取能力,同时利用共轭高分子的疏水特性和聚合物特性来保护钙钛矿不受湿气及添加剂的侵蚀。稳态及时间分辨的荧光光谱测试表明PD-10-DTTE-7层确实可以改善空穴的提取。电池测试结果表明使用PD-10-DTTE-7界面层的MAPbI3钙钛矿太阳能电池的填充因子提升了8.65%,平均光电转换效率提升了8.5%,最优器件效率可达18.83%。接触角测试发现器件结构中引入PD-10-DTTE-7界面层,接触角可增加到104°,高于Spiro-OMeTAD的83.4°和MAPbI3的24.1°,显示出优异的疏水性能。 XRD测试等表明PD-10-DTTE-7界面层确实可以极大地减缓钙钛矿向碘化铅的分解和转变。器件稳定性测试发现采用PD-10-DTTE-7界面层的器件空气稳定性显著优于只采用Spiro-OMeTAD空穴传输层的器件。

研究者认为此项研究为同时提高钙钛矿太阳能电池器件稳定性和光伏性能提供了一种新的思路。在可以继续使用需要添加剂的高性能空穴传输材料的基础上,一方面利用共轭高分子的疏水与聚合物特性来防止湿气与添加剂的侵蚀,另一方面利用共轭高分子的高迁移率特性来改善空穴的抽提效率,提高器件转换效率。

相关工作在线发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201800232)上。

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