Small:新型非掺杂空穴传输材料膜厚调控策略实现高效反式钙钛矿太阳能电池

近年来,钙钛矿太阳能电池(PSCs)发展迅速,其最高光电转换效率已超过24%,显示出良好的应用前景。空穴传输材料(HTMs)作为高效钙钛矿太阳能电池器件的重要组成部分,在提高电池效率和稳定性方面具有重要意义。因此,空穴传输材料的设计和开发一直是钙钛矿电池研究的重点之一,也取得了很大进展。但是,目前被广泛用来制备高效PSCs的空穴材料种类依然很有限,主要集中在以具有刚性核骨架的Spiro-OMeTAD和具有良好平面共轭结构的有机聚合物PTAA和PEDOT:PSS。但两类结构的空穴传输材料仍具有较大的局限性,如:Spiro-OMeTAD由于其刚性核结构,使得分子中三苯胺结构很难实现好的分子间π-π堆积,导致其迁移率低。为了提高其迁移率,不得不掺杂大量离子型添加剂如锂盐和吡啶类化合物,这又导致器件稳定性下降;PEDOT:PSS 的HOMO能级与钙钛矿层匹配性不好,使得器件Voc 较低(通常在0.84-0.97 V),而且其本身易吸潮和对电极的腐蚀作用,也导致器件稳定性下降;相比Spiro-OMeTAD和PEDOT:PSS,基于掺杂PTAA 的电池器件具有较好的稳定性和高效率,但其高疏水性使其与钙钛矿层界面浸润性很差,给钙钛矿活性层制备带来很大困难,且其价格高昂(是黄金价格的30倍),限制了它的广泛应用。因此,发展高效的空穴传输材料仍然是钙钛矿太阳能电池的主要挑战之一。

南京工业大学李公强教授综合前人设计空穴传输材料的经验,结合分子结构单元间旋转可调能够影响分子构象空间分布的情况,利用构象可调的柔性核骨架(FCTC)设计策略,发展了一类高效非掺杂的马鞍型空穴传输材料,联合南方科技大学Aung Ko Ko Kyaw 教授和南京大学马海波教授,实现了高效稳定正置介孔结构钙钛矿太阳能电池器件制备。最近,他们又将这一理念应用到基于三苯胺边臂和双芴核骨架的新型空穴传输材料设计中,合成了一类新型有机HTMs(DMZ),将其应用于反式平面结构钙钛矿太阳能电池中。结果表明,基于非掺杂DMZ 的电池器件可获得最高18.61%的PCE(Jsc = 22.62 mA /cm2, Voc = 1.02 V和FF = 81.05%),与基于PEDOT:PSS 的相应器件相比,其PCE提高了50%,且几乎没有迟滞现象。此外,基于DMZ的电池器件在50%湿度的空气中放置556 小时后,其PCE仍保持初始 90%,显示了更好的稳定性。

通过系统研究空穴传输层薄膜厚度对钙钛矿形貌和器件性能的影响,发现:随着空穴层的厚度从 3.5 nm 上升至 30 nm (相应DMZ 溶液浓度为 0.5 m/ml 到 6.0 mg/ml),空穴传输层的表面接触角也从 21.1 o 上升为84.0 o,直接影响了钙钛矿层的薄膜晶粒尺寸和结晶程度,使得钙钛矿层缺陷态密度也有较大变化,进而影响了器件的 Voc 和 FF;其中FF 从81.38%  (最高为82.57%) 降至68.22%, 而Voc 则从0.99 V 上升至 1.03 V;当空穴传输层厚度为~13nm时 (浓度为 2 mg/ml ),器件的性能最佳,PCE高达18.61%。

综上所述,空穴传输层的薄膜厚度不仅影响到空穴传输层自身的传输性能和与钙钛矿层的浸润性,还能通过调控其厚度,实现对钙钛矿层形貌和结晶性的调控,进而提高钙钛矿太阳能电池器件光电转换效率和稳定性,对未来发展更加高效的空穴材料以及优化钙钛矿电池器件具有重要参考价值。相关论文在线发表在Small上(DOI:10.1002/smll.201904715)。