多功能的非富勒烯n型有机半导体在钙钛矿太阳能电池中的应用进展综述

随着全球能源消耗和环境污染等问题的日益突显,太阳能作为可再生的清洁能源已经被广泛开发和应用到多个领域,其中基于光电转换的光伏器件成为利用太阳能的重要方式和研究热点。钙钛矿太阳能电池在短短十年中,凭借其优异的光电性能和简单的制备工艺,其效率由2009年的3.8%迅速提升至2019年的24.2%,展现出超越其他类型太阳能电池的发展速度,成为第三代太阳能电池中最具商业化前景的光伏器件之一。在钙钛矿太阳能电池中,钙钛矿活性层、电荷传输层以及界面修饰层对器件的效率和稳定性都具有重要的影响。

最近,北京大学工学院占肖卫课题组综述了非富勒烯n型有机半导体作为电子传输材料、界面修饰材料、钙钛矿层添加剂以及近红外光捕获材料等在钙钛矿太阳能电池中的应用,并讨论了其面临的挑战和未来的发展方向。

相较于无机半导体和富勒烯衍生物,非富勒烯n型有机半导体具有分子结构多样性、电学和光学性质易调控、柔性以及可低温制备等优势,被广泛应用于钙钛矿太阳能电池。作为电子传输材料,非富勒烯n型有机半导体表现出与钙钛矿相匹配的能级结构,较高的电子迁移率,良好的溶解性和稳定性,并且不需要高温烧结。作为界面修饰材料,非富勒烯n型有机半导体可以调控金属电极或无机半导体的功函,促进电荷传输,钝化界面缺陷,诱导钙钛矿结晶和增强器件稳定性等。作为钙钛矿层的添加剂,非富勒烯n型有机半导体可以通过钙钛矿的反溶剂和钙钛矿的前驱体溶液两种存在形式调控钙钛矿的结晶过程,钝化钙钛矿缺陷,增强电荷抽取和提高稳定性、作为近红外光捕获材料,以非富勒烯稠环电子受体为主,它们在近红外区表现出很强的吸收和光电响应,可以与合适的给体材料共混后作为有机本体异质结层,以补充钙钛矿材料对近红外光的吸收,从而提高对太阳光的利用率和器件的光电流。在众多非富勒烯n型有机半导体中,以明星分子ITIC为代表的稠环电子受体表现出多样化的功能和优异的器件性能。相关论文以题为“Nonfullerene n‐Type Organic Semiconductors for Perovskite Solar Cell”发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201900860)上。