Advanced Functional Materials:基于给体-受体型三芳胺类聚合物无掺杂空穴传输材料的高性能倒置钙钛矿太阳能电池

过去十年,钙钛矿太阳能电池凭借其独特的光电特性、低器件制备成本及高光电转换效率引起了人们的广泛关注。其中,基于倒置结构的钙钛矿电池器件具有可低温成膜、迟滞效应弱、更容易与成熟商业化的硅基太阳能电池集成为叠层电池等优势,更适合未来复合柔性化趋势的商业化生产与应用,因此在近年来吸引了越来越多研究人员的关注。在倒置钙钛矿器件中,空穴传输材料(HTL)具有在钙钛矿/ HTL界面处的空穴载流子提取/传输和电子阻挡的功能,因此对于实现高的器件性能和稳定性具有至关重要的作用。然而,目前在倒置器件中应用最多、性能最高的PTAA类三芳胺聚合物材料成本相对较高,固有空穴迁移率较低,且常需额外掺杂剂/添加剂以提高器件效率,严重限制了倒置钙钛矿电池性能的继续提升与大规模实际应用。

针对这些问题,南方科技大学郭旭岗教授团队通过在三芳胺类聚合物骨架中引入酰亚胺功能化受体基元进行改性,开发了一类具有给体-受体(D-A)类结构的新型三芳胺聚合物HTL材料PBTI-TPA和PTTI-TPA(图1)。其中,具备优异氧还活性的经典三苯胺D基元与具有刚性平面骨架的吸电子噻吩酰亚胺A基元的结合为这类聚合物提供了准平面骨架,合适的前线分子轨道(FMO)能级,良好的热稳定性,优良的膜形貌和钝化效果,以及大幅提升的空穴迁移率,从而使得其作为无掺杂HTL材料在倒置钙钛矿器件中取得了优异的性能。结合器件优化,基于具有更高空穴迁移率的聚合物PTTI-TPA的倒置器件可获得高达21.0%的优异光电转换效率,极低的迟滞效应,优于基于PBTI-TPA和PTAA的器件(图2)。该性能也代表了目前文献所报道倒置钙钛矿电池中基于无掺杂聚合物类HTL材料的最高效率之一。

图1. a) 聚合物空穴传输材料PBTI-TPA和PTTI-TPA的化学结构式;b) PBTI-TPA和PTTI-TPA的能级图;c) 通过SCLC方法得到的材料空穴迁移率;d) 在PBTI-TPA,PTTI-TPA和PTAA和ITO衬底上生长的钙钛矿薄膜的Pb 4f XPS光谱;e) 基于PBTI-TPA,PTTI-TPA和PTAA的钙钛矿器件缺陷态密度表征分析。

器件稳定性测试表明,基于聚合物PTTI-TPA和PBTI-TPA的倒置钙钛矿电池器件在惰性气体环境下保存250天后分别保持了初始效率的98%以及96%;而在85 °C持续加热时,基于PTTI-TPA的电池器件在7天后仍然能达到原有效率的80%以上,远高于基于PTAA电池的稳定性。这些研究结果证明了噻吩酰亚胺类受体基元在构建给-受体聚合物类HTL中的巨大潜力,也为实现高性能的无掺杂倒置钙钛矿太阳能电池器件提供了新的思路。

图2. a)倒置钙钛矿电池器件结构的示意图;b)基于PBTI-TPA,PTTI-TPA和PTAA的倒置器件的J–V曲线;c)基于PTTI-TPA的器件的正/反向扫描J-V曲线;d)在最大功率输出点的稳态输出效率;e)未封装钙钛矿器件在惰性气体环境中存储时的长期稳定性;f)未封装钙钛矿器件在85℃情况下的长期热稳定性。

论文的第一作者为南方科技大学材料系硕士生李柏林,共同第一作者为课题组高级研究学者杨坤博士,通讯作者为郭旭岗教授,杨坤博士为共同通讯作者。

论文信息:

Imide-Functionalized Triarylamine-Based Donor-Acceptor Polymers as Hole Transporting Layers for High-Performance Inverted Perovskite Solar Cells

Bolin Li, Kun Yang,* Qiaogan Liao, Yang Wang, Mengyao Su, Yongchun Li, Yongqiang Shi, Xiyuan Feng, Jiachen Huang, Huiliang Sun, Xugang Guo*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202100332