Small Methods: 富勒烯界面桥连材料增强钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性

近年来,有机无机杂化钙钛矿材料因其高的光吸收系数、较长的载流子迁移距离、双极性电荷传输性能、可溶液加工和低廉的材料价格等特点引起了学术界和产业界的广泛关注。经过近十年的发展,基于此类钙钛矿材料的单结太阳能电池的光电转换效率从最初的3.8%蹿升至目前25.2%的认证效率。然而,器件稳定性仍然是限制其产业化的重大问题。利用可与钙钛矿材料产生化学相互作用的有机半导体材料对其界面进行修饰或钙钛矿活性层层掺杂能有效地改善钙钛矿薄膜质量,减少钙钛矿体相和界面缺陷,同时抑制钙钛矿太阳能电池的迟滞现象,从而提升器件光伏效率和稳定性。

图1. (a) 钙钛矿太阳能电池结构及(b) DPC60作为界面桥连分子的示意图,(c) 基于SnO2/DPC60和SnO2电子传输层器件的正反扫JV曲线和 (d) 温度为(55 ± 5 °C)连续光照(一个标准太阳)的条件下器件的稳定性测试结果。

基于此,华侨大学田成波博士、魏展画教授团队采用带有特殊结构的富勒烯衍生物DPC60来桥连SnO2电子传输层和钙钛矿层(如图1),有效地提高了界面上的电子抽取能力,提高了钙钛矿薄膜的质量,实现了器件性能和稳定性的双提升。(1)DPC60的顺式构型和氨基官能团有效地增强了SnO2与钙钛矿间的化学相互作用,钝化了界面缺陷;(2)富勒烯层的疏水性,抑制了钙钛矿薄膜的异相成核过程,促使生成尺寸更大、更均匀的高质量钙钛矿晶粒,减少了钙钛矿的体相缺陷;(3)DPC60具有适宜的LUMO能级和高的电子迁移率,提升了DPC60修饰的SnO2电子传输层的电子提取能力,有效减少界面复合。基于DPC60作为桥连材料的钙钛矿太阳能电池获得了20.4%的光电转换效率,迟滞现象得到了明显的抑制,且器件在温度为(55 ± 5 °C)连续光照(一个标准太阳)的条件下展示了良好的稳定性。

研究者相信,这种通过在半导体界面材料中引入功能基团以桥连载流子传输层与钙钛矿层的设计策略,将为未来提升钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性提供一条简单实用的参考途径。相关论文以“Interfacial Bridge Using a cis-Fulleropyrrolidine for Efficient Planar Perovskite Solar Cells with Enhanced Stability”为题,在线发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201900476)上。