Solar RRL:钙钛矿太阳电池中具有界面钝化功能空穴传输材料的开发及应用

近年来,钙钛矿太阳电池的光电转换效率从最初的3.8%迅速增长到了23.7%且钙钛矿太阳电池制备工艺简单,充分展现出了其巨大的应用前景。目前最为高效的钙钛矿太阳电池通常是多层结构,钙钛矿吸光层位于电子传输层和空穴传输层之间。空穴传输层在器件中起着促进载流子在钙钛矿和空穴传输材料界面分离、传输空穴、促进钙钛矿结晶和保护钙钛矿层等重要作用,对器件的效率和稳定性影响巨大。虽然大量无机及聚合物空穴传输材料已被应用到钙钛矿太阳电池,但是由于小分子材料具有聚合物可以溶液加工,结构多样化等优点,又因为结构确定,避免了批次差异,重复性好,因此研究最为广泛,基于此类材料的器件展现出较好的性能。其中小分子spiro-OMeTAD是钙钛矿太阳电池中最为高效的空穴传输材料,但是其价格昂贵、水氧稳定性差等缺点限制了该分子的应用。另一方面,众多研究也表明spiro-OMeTAD不能有效钝化钙钛矿薄膜表面缺陷态,限制了钙钛矿太阳电池器件效率和稳定性的进一步提升。

针对上述问题,华北电力大学刘雪朋等将具有钝化钙钛矿薄膜表面缺陷态功能的吡啶单元引入到咔唑-三苯胺类小分子中,开发了一系列廉价的新型小分子空穴传输材料。利用吡啶基团与钙钛矿材料之间的相互作用,改善界面接触,使HTM同时具备钝化钙钛矿薄膜表面缺陷态和传输空穴的双重作用,在避免钙钛矿缺陷态钝化材料使用的情况下,减少该界面处(钙钛矿/HTM)缺陷态密度,最终得到了光电转换效率达到18.45%钙钛矿太阳电池器件。另外,由于吡啶单元可以有效钝化钙钛矿薄膜表面的缺陷态,器件稳定性显著提升。本工作表明在空穴传输材料上引入钙钛矿缺陷态钝化基团对提升器件效率和稳定性的优势,并对其他钙钛矿缺陷态钝化基团(如氨基、氰基、羧基等)引入到钙钛矿太阳电池中载流子传输材料和界面修饰材料做出来展望,为进一步提升钙钛矿太阳电池器件性能提供了新思路。

相关工作发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201800337)上。

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