基于非掺杂空穴材料的高效率和长寿命钙钛矿太阳能电池

在能源危机和环境污染日益严重的今天,开发新型清洁能源已经成为一个迫在眉睫的问题。太阳能电池作为重要的清洁能源,有着不可忽视的潜在作用。钙钛矿太阳能电池作为其中的一颗新星,因其优良的光电转换效率,简单的电池结构以及较低的生产成本,正在吸引越来越多科研工作者的关注。然而,钙钛矿电池中的空穴传输材料需要用到具有吸潮性质的离子盐来提高其电荷传输能力,而这种吸潮性质的盐会导致钙钛矿材料的分解,严重地限制了其在空气中工作的稳定性。苏州大学功能纳米与软物质研究院(FUNSOM)廖良生教授和孙宝全教授课题组针对这一问题,进入了深入而细致的研究,通过开发一种新型的空穴传输材料 2,2’,4,4’-四-(二甲氧基二苯胺)-螺芴三苯胺)(SAF-OMe),在保持高效率的情况下,提高了钙钛矿电池在空气中工作的稳定性,从而有望推进钙钛矿电池在今后的商业化。

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当前在改善钙钛矿电池工作稳定性的相关研究中,开发非掺杂的空穴传输材料被认为是最有效的方法之一。然而,在开发新型的非掺杂空穴传输材料研究中,科研人员发现在取得较高的电池光电转换效率同时,很难同时改善电池的稳定性。其中,主要的原因在于开发既有好的能级匹配和高的传输能力又有良好疏水性的材料存在较大的难度。为了更好地解决这一问题,该团队通过将两种“明星”空穴传输材料(Poly-(triarylamine) (PTAA) 和(2,2’,7,7’-四-(二甲氧基二苯胺)-螺芴)(Spiro-OMeTAD)的核心骨架中的有效官能团巧妙地相结合,成功研发出一种能级匹配好、空穴传输能力高的理想材料:SAF-OMe。与Spiro-OMeTAD相比,SAF-OMe表现出更大的接触角,更好的疏水性能,从而可以有效提高钙钛矿太阳能电池在空气中的使用寿命。同时经测算,SAF-OMe的空穴传输能力比Spiro-OMeTAD高三倍以上。基于这些优异的性能,即使在非掺杂条件下,以SAF-OMe为空穴传输层的钙钛矿电池的效率仍然可以达到13.44%,远远超过基于Spiro-OMeTAD的5.91%,并且接近Spiro-OMeTAD进行掺杂后的效率(14.84%)。此外,基于SAF-OMe掺杂的器件效率(16.73%)也已超过基于Spiro-OMeTAD掺杂的器件效率。

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钙钛矿电池现今最大的问题是电池工作的稳定性。该研究也发现新材料SAF-OMe不仅在效率上超过商业化的Spiro-OMeTAD,其在稳定性上也优于后者。经比较得知 ,在测试时间达到240小时后,基于Spiro-OMeTAD的电池效率下降了53%,而基于SAF-OMe的电池效率下降了39%,减少了14个百分点,显示出一定的优势。

综上所述,该工作中开发的新型非掺杂空穴传输材料,一方面显著提高了光-电转换效率,另一方面也增强了钙钛矿电池在空气中工作的稳定性,有望得到相关领域研究者的广泛关注。希望该类新型空穴传输材料的研究能够促进钙钛矿电池在商业化进程中的进一步发展。

相关结果已发表在Advanced Functional Materials上(DOI: 10.1002/adfm.201504245)。