EcoMat: 二氧化钛纳米颗粒修饰碳纳米管在spiro-OMeTAD中作为添加剂提高钙钛矿太阳能电池性能和稳定性

目前,钙钛矿太阳能电池的效率已经提高到了25.5%,但是如何在提高效率的同时增强电池的稳定性仍然是一个难题。在高效的钙钛矿太阳能电池中,最有效、最常用的空穴传输材料是spiro-OMeTAD。由于spiro-OMeTAD的空穴迁移率比较低,为了提高其导电性,通常会掺入锂盐。然而,长时间后,锂盐在spiro-OMeTAD中容易吸潮聚集,并且锂离子会发生离子迁移,导致电池性能和稳定性下降。

针对这些问题,近期,河南大学陈冲课题组将纯的单壁碳纳米管(CNT)和二氧化钛纳米颗粒修饰的单壁碳纳米管(CNT:TiO2)分别作为添加剂掺入到spiro-OMeTAD中,研究了两种复合空穴传输层(即spiro-OMeTAD+ CNT和spiro-OMeTAD+ CNT:TiO2)对电池性能和稳定性的影响。研究发现,由于碳纳米管优异的导电能力和疏水性,掺入的CNT和CNT:TiO2均能提高锂盐掺杂的spiro-OMeTAD层的导电性和疏水性。更重要的是,相比CNT,掺入的CNT:TiO2更能有效地提高spiro-OMeTAD层的导电性,这主要是由于CNT中的碳原子与TiO2纳米颗粒中的钛原子存在强的相互作用,导致CNT:TiO2中的电子态密度显著增加,更有利于电荷转移。同时,计算结果还发现,纯的CNT对钝化钙钛矿中的晶体缺陷几乎没有作用,但是CNT:TiO2中的钛原子和氧原子能与钙钛矿晶体中的碘原子和氢原子发生相互作用形成钛-碘键和 H…O氢键,从而钝化钙钛矿缺陷态,减少了钙钛矿/spiro-OMeTAD界面处的电荷复合。此外,n型TiO2纳米颗粒可能捕获从钙钛矿导带转移进spiro-OMeTAD层的光生电子,减少了电池的漏电流。最后,相比CNT,CNT:TiO2进一步优化了钙钛矿/spiro-OMeTAD界面的能级结构,促进了界面处的空穴抽取和转移。最终,由于上述优点,基于spiro-OMeTAD+ CNT:TiO2复合空穴传输层的钙钛矿电池表现出了比基于CNT掺杂的spiro-OMeTAD以及无掺杂的spiro-OMeTAD空穴传输层的电池更高的效率和稳定性。

该研究工作近期发表在EcoMat上(论文信息附后),河南大学硕士研究生娄强为第一作者,陈冲教授为论文通讯作者。该工作得到了四川大学黄青松教授的研究合作支持,得到了国家自然科学基金委、河南省高校科技创新人才等项目的资助。

(a)电池结构及spiro-OMeTAD+CNT:TiO2空穴传输层对电池性能的影响,(b)CNT和CNT:TiO2对电池稳定性的影响。

论文信息:

Multifunctional CNT:TiO2 additives in spiroOMeTAD layer for highly efficient and stable perovskite solar cells

Qiang Lou, Huilin Li, Qingsong Huang, Zhitao Shen, Fumin Li, Qing Du, Mengqi Jin, Chong Chen*

EcoMat

DOI: 10.1002/eom2.12099