基于石墨炔(Graphdiyne)修饰P3HT空穴传输材料的高效率钙钛矿太阳能电池

近年来,钙钛矿型太阳能电池再次掀起了新型光伏领域的研究热潮。以CH3NH3PbI3为代表的具有钙钛矿晶型的有机金属卤化物作为一种新型的光电转换材料,具有消光系数高、载流子非辐射复合速率低等优点,可以实现较高的能率转换效率,应用前景好。在钙钛矿太阳能电池中,除了钙钛矿材料本身之外,合适的空穴传输材料对于器件的性能和稳定性也是十分重要的。聚3-己基噻吩(P3HT)是最常用的聚合物空穴传输材料之一,当用于钙钛矿电池时,往往需要添加Li盐和吡啶衍生物进行改性,而这些添加剂对钙钛矿电池稳定性会产生不利影响。因此,如何进一步提高空穴传输材料性能及发展材料改性的新方法和技术,是非常有意义的。

中国科学院物理研究所孟庆波课题组与化学研究所李玉良课题组在这一领域开展了深入合作。他们将石墨炔(Graphdiyne)这种新的碳同素异形体,首次应用于钙钛矿电池中。通过与P3HT进行复合,显著提高了空穴传输性能,基于这种复合空穴传输层的钙钛矿电池实现了14.58%的高效率。相关结果发表在Advanced Energy Materials上。

石墨炔是一类新型的碳同素异形体,具有与石墨烯类似的二维结构。并且,由于石墨炔是由sp和sp2杂化的碳原子组成的,它还具有直接带隙、刚性平面结构、均匀亚纳米级孔结构等独特性质。这些特性预示石墨炔材料在催化、气体分离、储能等领域有着巨大的应用潜力。该研究团队将石墨炔粉末与P3HT在溶剂中混合,获得了石墨炔/P3HT薄膜。通过微区Raman光谱分析发现,在P3HT/石墨炔的复合薄膜中,石墨炔的sp2碳的G带峰位置发生了蓝移,而双炔特征峰的位置发生了红移。研究结果表明,石墨炔特殊的分子结构和电子结构不仅具有供电子特性,而且也具有吸电子特性。进一步利用紫外光电子能谱研究了不同石墨炔掺杂量对复合膜的HOMO能级的影响。结果发现:石墨炔加入量越多,混合薄膜的HOMO能级就越低;这表明石墨炔对于主体P3HT的净效果是来自于双炔键的吸电子作用,而这种作用有助于提高P3HT中载流子浓度,使得钙钛矿与P3HT之间的空穴转移更顺畅。进一步地,将这种复合膜沉积在钙钛矿吸光层上,通过瞬态光致发光光谱研究证实:石墨炔的引入显著提高了电池器件的空穴分离和传输特性。由于空穴传输性能的提高及部分石墨炔额外提供的散射性质,基于P3HT/石墨炔复合空穴传输材料的钙钛矿电池的平均光电转换效率从11.11%提高到了13.17%,最高效率达到14.58%。同时,由于石墨炔本身与钙钛矿材料之间的化学惰性,所制备电池器件的稳定性显著提高,保存4个月后电池效率仍然保持初始效率的90%以上。这一研究工作展示了石墨炔材料在太阳能领域潜在的应用前景。Untitled