Advanced Energy Materials:非掺杂聚合物空穴传输材料制备高填充因子的钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池(PVSC)在过去几年中取得了快速发展,但大多数高性能太阳能电池器件都是基于掺杂的空穴传输材料(HTM),这会影响电池的稳定性。因此,急需开发新型的非掺杂空穴传输材料来制备器件以实现与掺杂的Spiro-OMeTAD相当的能量转化效率(PCE)和更好的稳定性。最近,由于非掺杂的聚合物HTM具有可调节的能级,高迁移率,良好的成膜性和疏水性,可以用来制造高效且稳定的PVSC的能力。然而,由于填充因子(FF)的不足,限制了器件性能的进一步提高。通过平衡钙钛矿/ HTM界面处的电荷复合和提取以及钝化钙钛矿薄膜的表面缺陷,可以实现高FF。为了推动钙钛矿太阳能电池的进一步发展, 设计具有高迁移率和表面钝化能力的功能化共轭聚合物成为至关重要的一个方法。

香港城市大学Alex K.-Y. Jen教授和朱宗龙教授课题组采用非掺杂的聚合物空穴传输材料来制备钙钛矿太阳能电池。通过将苯并二噻吩(BDT)与苯并二噻吩-4,8-二酮(BDD)单元共聚,合成了给体(D)-受体(A)型共聚物PBT1-C,该聚合物中BDD是典型的路易斯碱,两个对称的羰基可以钝化钙钛矿薄膜表面配位不足的Pb原子。结果表明,基于PBT1-C的PVSC可以实现19.06%的效率和1.05 V的开路电压(Voc)。更重要的是,FF可以达到81.22%,这是非掺杂聚合物HTM的最高值。通过电化学阻抗谱(EIS)、缺陷态密度(tDOS)、光致发光(PL)等表征,可以得出Voc和FF的提高是因为HTM较高的空穴迁移率及其功能化基团羰基的缺陷钝化能力,这不仅减少了非辐射复合而且还促进了电荷的提取。掠入射广角X射线散射(GIWAXS)结果表明,PBT1-C上的羰基与表面或晶界上配位不足的Pb原子发生相互作用,从而改变了PBT1-C的分子排列方式,使其具有face-on和edge-on取向的双峰分子堆积,提高了面内的空穴迁移率,增加了提取电荷的能力,从而提高了Voc和FF。此外,基于PBT1-C的PVSC在惰性环境中连续照射300小时后,可以保持其初始效率的87%。该工作为设计具有羰基官能团和其他功能性路易斯碱的非掺杂聚合物HTM提供了一种潜在策略,为制备高效稳定的PVSC提供了一种新思路。

相关论文以 “A Dopant‐Free Polymeric Hole‐Transporting Material Enabled High Fill Factor Over 81% for Highly Efficient Perovskite Solar Cells”为题,发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201902600)上。