Advanced Functional Materials:界面偶极分子协同效应-助力高效稳定钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池在过去的10年间,效率从3.8%迅速上升为25%以上,成为太阳能电池领域最受关注的新型材料。钙钛矿材料作为太阳能电池领域的明星材料,具有高迁移率、高吸光系数、较长的载子寿命和容易涂布等诸多优点,引起广泛关注和研究。然而,由于传统电极和传输层材料的化学结构固定,因此电池中各层能级的不匹配会造成载子在传输过程中损耗大量的能量,严重地降低了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。当前提升载子定向传输的各类方法中,界面偶极材料的应用是被认为提升高效界面传递的重要途径。香港大学机械工程系冯宪平教授及台湾中央大学化学系吴春桂教授课题组针对这一问题,合作开发两种新型界面偶极材料,一种是含胺基高分子促进电子的定向传输,另一种为含氟小分子提升空穴定向传输,两种偶极材料可最大化钙钛矿电池的内建电场,协同提高钙钛矿电池的效能,最高光电转换效率为21.5%,具有良好重现性和稳定性。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.201909755)上。

研究发现,当含胺基高分子涂布在导电ITO玻璃表面时,高分子会自动进行在ITO表面的自组装过程:胺基结构可通过向电极转移孤对电子,从而诱导产生偶极并降低导电玻璃的功函数,使得电子从传输层传递至电极消耗更少的能量;另一方面,含氟小分子自身可产生分子偶极,在钙钛矿上表面产生方向相反的偶极,提升钙钛矿上表面的功函数,从而提高空穴从钙钛矿至传输层的迁移能力,且含氟材料对钙钛矿具有较强的保护能力,使钙钛矿电池在大气环境下(30-50%湿度)储存2000小时以上并保持95%以上的初始效率。更重要的是,基于这两种偶极材料的配合使用,钙钛矿电池的效率具有协同提升的现象,因此研究者总结电子及空穴传输的过程是互相影响的,其中任意一方传输效率的降低都将显著影响另一方的传输特性。此结论对于后续钙钛矿电池的内建电场研究以及效率提升具有指导性作用,并为今后该领域的界面分子设计提供了切实可行的方案。