Solar RRL:聚噻吩/酞菁纳米复合材料用于钙钛矿太阳能电池空穴传输材料

钛矿太阳能电池(PSC)报道的最高光电转换效率已达到23%以上,但其进一步商业化还受器件稳定性,材料造价等条件限制。空穴传输材料(HTM)在钙钛矿太阳能电池中有着重要的作用:不但可以降低载流子复合率,提高光电转换效率,而且可以隔绝钙钛矿活性材料与水氧接触,提高器件稳定性。但现有已报道高性能空穴传输材料,比如Spiro-OMeTAD等,多数存在合成复杂,材料价格高,或者材料导电率/空穴迁移率低的不足。尽管通过金属盐掺杂技术可以提高这类材料导电能力实现高效率光电器件,但相关掺杂盐的吸水性又容易进一步导致器件稳定性下降,成为钙钛矿太阳能电池推广应用的障碍。

作为已商业化的高分子光电材料,聚噻吩(P3HT)已经广泛应用于有机光电器件,包括在钙钛矿太阳能电池的空穴传输应用。但是聚噻吩迁移率较低,同时其HOMO能级(-4.86 eV)较浅,与传统钙钛矿材料(MAPbI3)的导带(-5.4 eV)匹配度较差,大部分报道的钙钛矿太阳能电池光电转换效率仅在10%左右。金属酞菁配合物分子结构可控性强;合成、纯化过程简易;具有良好热力学和的化学稳定性、高载流子迁移率和良好的半导体特性,被广泛应用于各类光电子器件中。然而大部分金属酞菁有机溶解性差,不利于廉价液相工艺制备光电器件。

近期南方科技大学化学系许宗祥课题组,基于团队前期研究成果:将四甲基取代的金属酞菁纳米晶掺杂在P3HT中,达到提高聚噻吩载流子迁移速率,并实现有机体异质结光伏电池器件效率提高(Chem. Commun., 2011, 47, 9654–9656)。许宗祥团队通过进一步调控酞菁分子结构,在酞菁环nonperipheral位点引入8个甲基合成八甲基修饰铜酞菁,尽管该酞菁基本不溶于常规有机溶剂,但是通过简单酸溶再沉淀的自组装方法制备尺度均一的纳米线,可以获得分散均匀的电子浆料。进一步将纳米线添加到P3HT中制备复合材料,可以通过液相旋涂方法制备钙钛矿太阳能电池,平均PCE达到15.58±0.49%,最高PCE达到16.61%,超过同等工艺制备的基于掺杂Spiro-OMeTAD的器件性能(16.13%)。

通过对复合材料薄膜形貌及光电半导体特性表征发现:基于酞菁纳米线的有机不溶解性,添加酞菁纳米线(质量比1:1)后,复合材料薄膜中酞菁和聚噻吩均能保持良好的结晶度及各自有效分子共轭堆积,酞菁纳米线的添加可以有效降低聚噻吩成膜后的载流子传输缺陷密度,有效提高了聚噻吩的空穴迁移率,其SCLC空穴迁移率从1.18×10-3 cm2/Vs提高到3.84×10-3 cm2/Vs;相比P3HT,复合材料的HOMO能级(-4.96 eV)获得0.1 ev的提升,与钙钛矿材料的能级匹配度更高;稳态荧光光谱显示复合材料具有更高的荧光猝灭效率,证明其具有更好的空穴提取能力;同时复合材料可以形成更加致密的薄膜,具有更高的疏水性能,以之为空穴传输层置于钙钛矿活性层之上,可以有效降低钙钛矿受水氧影响的降解速度,大幅度提高了器件稳定性。无封装器件在室温,75%相对湿度下运行800小时,仍可以维持90%以上的初始效率。

这一成果近期发表在Solar RRL(DOI: doi.org/10.1002/solr.201800264)上。

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