Advanced Functional Materials:D-π-A型卟啉分子钝化协助平面钙钛矿太阳能电池实现高效率和高稳定性

近年来,新兴的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池发展突飞猛进,在短短十年里其光电转化效率从3.8%迅速发展到目前25.5%的认证效率,被视为最具有应用潜力的新型高效率太阳能电池之一。虽然钙钛矿太阳能电池具有很高的光电转换效率已与多晶硅薄膜电池相媲美,但是电池的长期稳定性远未达到商业化的要求。此外,传统的低温溶液法可以便利地制备钙钛矿薄膜,但所制备的钙钛矿通常是多晶薄膜极易在晶界或表面产生针孔和缺陷。产生的缺陷不仅可以捕获光生载流子,限制载流子的扩散,降低载流子的寿命,而且还会引起离子迁移和扩散,最终导致器件的稳定性和效率下降。

中科院福建物质结构研究所高鹏课题组针对钙钛矿太阳能电池表面缺陷和水分侵蚀所导致的稳定性问题,提出在钙钛矿表面引入疏水型大体积阳离子和功能型有机小分子策略全面提高钙钛矿太阳电池稳定性和开路电压。在前期工作中,高鹏研究员团队首次报道使用氟代芳香胺大体积阳离子改性三维钙钛矿,探索效率与稳定性同步提高的条件,从方法上验证了在不影响器件效率的前提下提高稳定性的可能(Adv. Energy Mater. 2019,9,1802595)。而后又系统地比较了使用不同位置单氟取代的芳香阳离子处理三维钙钛矿表面,所形成的3D-2D叠层钙钛矿对器件性能和稳定性的微妙影响(Solar RRL. 2020, 4, 2000107)。提出了采用具有大体积的1-萘甲胺碘(NMAI)来钝化钙钛矿表界面(Adv. Energy Mater. 2020,10,2000197)。使用NMAI的异丙醇(IPA)溶液,后处理3D钙钛矿薄膜,NMAI层的多重钝化效应,使得所制备的钙钛矿太阳能电池器件表现出较高的光电性能,有力地证明了钙钛矿和空穴传输层界面的非辐射复合大大减少,最终器件的开路电压最高达到1.20 V。

近日,高鹏课题组开发了一系列D-π-A型卟啉分子,并在使用这一系列卟啉小分子钝化钙钛矿表面缺陷作用机制方面的研究取得重要进展。研究发现,以该系列卟啉分子CS0, CS1, CS2处理钙钛矿表面,不仅可以有效地钝化钙钛矿表面缺陷从而抑制perovskite/HTM界面间的非辐射复合,由于卟啉分子上的疏水型长烷基链的存在同时还可以有效地阻挡空气中水分子的入侵。最终基于CS0, CS1, CS2钝化的钙钛矿太阳能电池均表现出良好的湿稳定性和提升的器件性能,基于CS1钝化的器件获得了22.37% 的最高电池效率。测试表明,编号为CS0-CS2的卟啉材料上的氰基丙烯酸官能团成功钝化钙钛矿晶格表面和晶界的缺陷,从而提高器件的VOC和FF。

该研究为D-π-A型卟啉分子的设计和应用提供了新的思路,并为进一步提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和效率提供指导。相关工作发表在国际期刊Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202007762) 上。本文通讯作者为中科院福建物质结构研究所高鹏研究员。第一作者为中科院麦绮伦副研究员,共同第一作者为中科院博士研究生周勤。