Advanced Functional Materials:机理研究——有机界面材料对钙钛矿太阳能电池性能退化的抑制作用

近年来,钙钛矿太阳能电池(PSCs)的效率屡破新高,被认为是最有可能从实验室走向实际应用的光电转换技术之一。然而钙钛矿太阳能电池的稳定性是其实现产业化的最大阻碍,在影响PSCs稳定性的众多因素中,离子迁移引起的界面退化会加速钙钛矿层的降解,造成电极腐蚀,影响界面接触,从而导致PSCs效率及稳定性的降低。因此亟需对界面进行改性,在目前已报道的界面材料中,主要可分为无机和有机两大类,无机界面材料对提高稳定性具有显著的作用但通常取得的器件效率较低(~18 %),相反,经过多年来的研究,使用有机界面材料的PSCs取得了较高的效率,但是只有很少的报道提到了其提升稳定性的作用,而且都是关于有机分子的疏水性阻碍水分渗透对猜测,背后的机理尚未得到解释,例如,有机界面材料是如何影响离子迁移引起的界面退化的?什么样的有机界面材料可以起到抑制界面退化从而提升稳定性的作用?

北京大学深圳研究生院孟鸿课题组合成了一种萘酰亚胺基三齿含氮螯合物NDI-BN作为有机阴极界面材料,在倒置型结构中取得了最高21.32 %的效率,其中Voc=1.13 V,Jsc=23.61 mA/cm2,FF=79.93 %。作者研究了未封装器件放置于30 %湿度和20摄氏度的条件下的稳定性,发现1000小时后不含NDI-BN的器件出现了与界面退化相关的明显的“S”型J-V曲线,相反使用NDI-BN的器件未出现“S”型曲线并可以保持75 %的初始效率。为了系统地研究NDI-BN对界面退化的影响,作者首先通过XPS测试追踪该界面处的碘离子,提供了使用NDI-BN作为界面层可以有效地抑制碘离子扩散的直接证据,证实了NDI-BN改善界面退化的原因是抑制了离子的扩散,更进一步,作者从分子层面比较了PC61BM与NDI-BN排列模式的差异,球状的PC61BM分子之间形成的空隙形成了离子扩散的通道,相反,NDI-BN分子之间通过ππ堆积形成了紧密的face-to-edge交错排列模式,从而切断了离子继续向电极扩散的路径。同时,通过理论计算,模拟了钙钛矿降解产物(MAI)2分别与PC61BM分子簇和NDI-BN分子簇的结合能,发现NDI-BN分子有更大的结合能,说明(MAI)2进入NDI-BN分子簇需要更高的能量,揭示了NDI-BN分子阻挡离子扩散的内在机理。

图7. a)PCBM和b)NDI-BN的分子排列模式;c)和d)通过ONIOM模型模拟(MAX)2分别插入PCBM和NDI-BN分子簇的结构;e)旋涂的NDI-BN和PCBM薄膜XRD图;f)NDI-BN晶胞(200)面的示意图。

基于这项研究的发现,作者展望了具有强物理作用力从而形成的紧密有序排列的有机界面材料可以用于获得高效稳定的钙钛矿太阳能电池,为有机界面材料的分子设计提供了新思路。相关论文近日发表在Advanced Functional Materials (10.1002/adfm.202000837)上,第一作者为北京大学深圳研究生院新材料学院博士研究生宁皎邑,助理研究员缪景生和孟鸿教授为该论文的共同通讯作者。