Advanced Functional Materials:具有22%以上的效率和长期稳定性的新型钙钛矿太阳能电池电子传输层材料

目前绝大部分高效率的钙钛矿太阳能电池都采用基于氧化锡(SnO2)电子传输层的n-i-p型的顺式结构。相比传统的二氧化钛(TiO2)电子传输层,SnO2具有电子迁移率更高、缺陷态更少、与钙钛矿接触界面光化学稳定性更好等诸多优点。尽管如此,基于纯相SnO2电子传输层的n-i-p型钙钛矿太阳能电池仍然具有一些缺点,比如电池的J-V曲线仍然存在回滞现象、SnO2/钙钛矿界面缺陷态多、电池稳定性不够好等。为了克服问题提高电池性能,研究者通常采取对SnO2层进行界面处理的策略。不同于此,陈冲教授课题组一直在寻找一种比SnO2更适合用来作为电子传输层的新材料来进一步提升电池性能和稳定性。

河南大学光伏材料省重点实验室陈冲教授课题组和合作者针对这一问题,合成的新型电子传输材料(CH3)2Sn(COOH)2 (CSCO)取代常用的SnO2,显著提高了钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。

研究发现:一方面,相比SnO2薄膜,新合成的CSCO薄膜具有更高的导电性,这主要是由于CSCO中C原子和O原子的P轨道发生杂化,使得—O=C—O—基团的π-π共轭碱更加离域,有效地促进了电子在CSCO中的传输;另一方面,CSCO薄膜中的O原子与钙钛矿材料中的Pb原子发生了强键合作用,这能直接有效阻止空气中的氧对钙钛矿进行氧化,于此同时,CSCO中的Sn原子能与钙钛矿中的卤素阴离子发生强键合作用,有效减少由于卤素阴离子缺少造成的缺陷,这两方面的作用有效钝化了钙钛矿陷态促进了钙钛矿材料的化学稳定性。由于以上积极因素,基于CSCO电子传输层的电池的光电转换效率相比基于SnO2电子传输层的电池的效率得到显著提升,效率从18.5%增加到了22%以上,并且器件稳定性也得到了显著提升。未封装的电池在大气环境下经过130天后,光电转换效率依然维持在初始效率的83%。该研究成果为实现钙钛矿太阳能电池的高效率和高稳定性提供了新的电子传输材料和研究思路。相关工作在线发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.202004933)上。