Advanced Functional Materials:富勒烯界面层有序化策略实现高效稳定钙钛矿太阳电池的刮涂制备

当前钙钛矿太阳电池的最高认证效率已经达到25.5%,其性能初步满足了商业化使用需求。因此,众多课题组将研究目光从钙钛矿层的结构优化和晶体改性转移到了大面积溶液法印刷制备上,并取得了可观进展。然而,很少有工作将界面层的分子堆积方式与大面积印刷工艺结合起来,探究二者之间的相关关系,这主要是因为多数关于界面层的研究工作都集中在界面层性能改性以及与钙钛矿之间能级匹配上。所以选择合适的分子调控界面层堆积结构并采用合适的表征手段将其与印刷工艺联系起来就显得十分重要。一方面,这有利于解决大面积印刷过程中出现的薄膜均匀性问题,另一方面,也有助于实现高效钙钛矿太阳电池的印刷制备。

针对上述问题,江西师范大学/南昌大学陈义旺教授、谈利承教授团队首次将乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)作为添加剂引入[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)中,通过DTF计算证实了二者间存在更强的相互作用,使得EVA优先吸附于PC61BM上,抑制了PC61BM在溶液中的聚集现象,使其有序排列。同时通过形貌表征和均匀性表征验证了这种富勒烯界面层的有序堆积能提高其薄膜质量和大面积印刷均匀性,水氧测试证实了这项策略有助于提升器件的环境稳定性。界面层有序堆积设计策略满足了钙钛矿太阳电池对高性能、低成本、可印刷电子传输层的需求,极大提高了高性能钙钛矿太阳电池的制备容忍性。最终,使基于0.04 cm2有效面积的MAPbI3基钙钛矿太阳电池和CsFAMA基钙钛矿太阳电池器件效率分别达到了19.32%和20.33%,未封装的器件(MAPbI3)在惰性和环境条件下(52%湿度,25摄氏度)下放置1500小时后分别保持初始效率的90%和80%,此外,基于该策略制备的25 cm2实际面积的MAPbI3基太阳电池模组器件效率为11.34%。

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图1. a EVA添加剂调节PCBM的分子堆积顺序、b 基于PCBM:EVA电子传输层的钙钛矿太阳能电池具有更好性能、c刮涂PCBM的示意图。d,e PCBM溶液的DLS分布和Zeta电位。 f 基于PCBM:EVA的冠军钙钛矿模组(25 cm2)的J-V曲线。g DFT计算。

为了验证引入EVA后对PCBM薄膜聚集情况的改善,对薄膜的表面形貌,能级变化以及结晶度情况分别进行了透射电子显微镜(HRTEM),原子力显微镜(AFM),紫外光电子能谱(UPS),开尔文探针(KPFM),广角掠入射X射线散射(GIWAXS)和X射线衍射(XRD)的表征,其结果如图3所示。可观察到,加入EVA后的PCBM薄膜粗糙度降低、功函升高、表面电势降低、结晶度增强。

图2. a,b 通过滴涂法制备的PCBM和PCBM:EVA薄膜的照片。 PCBM和PCBM:EVA薄膜的c,d HRTEM图,f,g AFM图,h,I UPS光谱,j,k KPFM的二维绘图测量的表面电位,l,m GIWAXS二维图。n 薄膜在(010)晶面的XRD图,其中 “*”是衬底的特征峰。
图4. a 器件的能级图。b,c 截面SEM图像。d薄膜的紫外-可见吸收光谱和e TRPL衰减光谱。F冠军器件正反扫的J-V曲线。g) 器件外量子效率(EQE)和集成Jsc。h) 在MPP (0.92V)下测量的器件的稳定输出功率和稳态光电流。i)器件的效率重现性。
图5. a,b)湿膜的流体扩散水平的光学显微镜图像。 c)结晶度重现性。f)紫外-可见测试点的示意图。g) PCBM 和 h) PCBM:EVA 薄膜通过刮涂在20个不同点位的紫外可见吸收。
图6. a,b 在环境条件下储存30天后器件的飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)元素深度分布。c 未封装器件在环境条件和N2手套箱中存放1500小时后的长期稳定性。d PCBM和PCBM:EVA薄膜在90℃下热退火21小时后的XRD图。 e,f 钙钛矿/PCBM和钙钛矿/PCBM:EVA薄膜在环境条件下随时间变化的XRD图。

这种使用链状高分子聚合物抑制富勒烯电子传输层聚集情况的策略在提升器件效率与稳定性的同时巧妙解决了大面积印刷过程中薄膜出现的不均匀性问题,满足了大面积钙钛矿太阳电池对高性能电子传输层的需求,也促进了制备技术向实际应用方向的升级。

论文信息:

A Regularity-Based Fullerene Interfacial Layer for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells via Blade-Coating

Jiaxuan Li, Xiangchuan Meng, Zengqi Huang, Runying Dai, Wangping Sheng, Chenxiang Gong, Licheng Tan*, Yiwang Chen*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202108107

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202105917