Solar RRL:二噻吩并苯并二噻吩基共轭聚合物钝化缺陷提高钙钛矿太阳能电池性能

在短短的十年间,钙钛矿太阳能电池效率增长迅速,目前认证的最高效率为23.7%,与单晶硅太阳能电池相当。溶液法制备钙钛矿薄膜是目前最常用的方法,但该方法不可避免地形成多晶结构,从而在表面和晶界处引入大量的缺陷。缺陷态能捕获光生载流子,从而限制载流子的垂直扩散和减小载流子寿命,此外还引起离子的迁移与扩散,严重影响了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。通过反溶剂技术引入钝化剂,包括绝缘薄膜和导电聚合物,是修复表面和晶界缺陷的有效方法。其中p共轭聚合物被证实有利于形成高质量钙钛矿薄膜,并能与钙钛矿反应钝化缺陷。然而,导电聚合物的钝化机理仍需深入研究,且应积极开发潜在的高效p共轭聚合物钝化剂。

近期,南方科技大学电子系Aung Ko Ko Kyaw教授课题组与南京工业大学李公强教授课题组合作,利用宽带隙二噻吩并苯并二噻吩基p共轭聚合物PDTBDT-FBT作为钝化剂,通过反溶剂技术钝化钙钛矿晶体缺陷。PDTBDT-FBT具有较深的HOMO能级(-5.51 eV),有利于空穴从钙钛矿层快速转移至空穴传输层。此外,PDTBDT-FBT中的5,6-二氟苯并[c][1,2,5]噻二唑(FBT)部分能与Pb2+离子配位,有效钝化缺陷、提高电荷传输特性。

形貌结构及光学表征表明聚合物能锚定在钙钛矿薄膜的表面和晶界,并通过形成Pb-F键而有效修复缺陷,从而减少缺陷态密度和提高空穴转移速率。SCLC结果显示钝化后钙钛矿薄膜的缺陷态密度从1.91×1016 cm-3降低至1.45×1016 cm-3,空穴迁移率从7.67×10-3 cm2 V-1 s-1提高至9.75×10-3 cm2 V-1 s-1。此外,瞬态荧光光谱显示钝化后钙钛矿薄膜与Spiro-OMeTAD的复合结构具有更高的荧光淬灭效率,表明空穴在钙钛矿层与空穴传输层间快速转移,从而提高电池性能。另外,表面和晶界缺陷的钝化能有效封锁水分扩散通道,减缓水分对钙钛矿薄膜的分解作用。最终获得最高光电转化效率为18.03%,且在相对湿度为60%空气下存放1000小时,仍能保持初始效率90%。

相关结果发表在 Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201900029)上。