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新型非摻雜空穴傳輸材料膜厚調控策略實現高效反式鈣鈦礦太陽能電池

發布時間：2019-12-17 來源：元祿光電

近年來，鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）發展迅速，其最高光電轉換效率已超過24%，顯示出良好的應用前景。空穴傳輸材料（HTMs）作為高效鈣鈦礦太陽能電池器件的重要組成部分，在提高電池效率和穩定性方面具有重要意義。因此，空穴傳輸材料的設計和開發一直是鈣鈦礦電池研究的重點之一，也取得了很大進展。但是，目前被廣泛用來制備高效PSCs的空穴材料種類依然很有限，主要集中在以具有剛性核骨架的Spiro-OMeTAD和具有良好平面共軛結構的有機聚合物PTAA和PEDOT：PSS。

但兩類結構的空穴傳輸材料仍具有較大的局限性，如：Spiro-OMeTAD由于其剛性核結構，使得分子中三苯胺結構很難實現好的分子間π-π堆積，導致其遷移率低。為了提高遷移率，不得不摻雜大量離子型添加劑如鋰鹽和吡啶類化合物，這又導致器件穩定性下降；PEDOT:PSS 的HOMO能級與鈣鈦礦層匹配性不好，使得器件Voc 較低（通常在0.84-0.97 V），而且其本身易吸潮和對電極的腐蝕作用，也導致器件穩定性下降；相比Spiro-OMeTAD和PEDOT：PSS，基于摻雜PTAA 的電池器件具有較好的穩定性和高效率，但其高疏水性使其與鈣鈦礦層界面浸潤性很差，給鈣鈦礦活性層制備帶來很大困難，且其價格高昂（是黃金價格的30倍），限制了它的廣泛應用。因此，發展高效的空穴傳輸材料仍然是鈣鈦礦太陽能電池的主要挑戰之一。

南京工業大學李公強教授綜合前人設計空穴傳輸材料的經驗，結合分子結構單元間旋轉可調能夠影響分子構象空間分布的情況，利用構象可調的柔性核骨架（FCTC）設計策略，發展了一類高效非摻雜的馬鞍型空穴傳輸材料，聯合南方科技大學Aung Ko Ko Kyaw 教授和南京大學馬海波教授，實現了高效穩定正置介孔結構鈣鈦礦太陽能電池器件制備。

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圖 1 (a) DMZ 分子結構；(b) 器件結構；(c) 在 AM 1.5G 的光照下，基于PEDOT:PSS 和非摻雜DMZ HTM 最佳器件的J-V 曲線；(d) 基于不同DMZ HTL 厚度的器件效率；(e) 器件的FF 和 Voc 隨 DMZ HTL 從 6 mg/mL-0.5 mg/ml的變化；(f) 基于PEDOT:PSS 和DMZ HTM 的器件在RH= 45-50% 的空氣中穩定性。

最近，他們又將這一理念應用到基于三苯胺邊臂和雙芴核骨架的新型空穴傳輸材料設計中，合成了一類新型有機HTMs(DMZ)，將其應用于反式平面結構鈣鈦礦太陽能電池中。結果表明，基于非摻雜DMZ 的電池器件可獲得最高18.61％的PCE（Jsc = 22.62 mA /cm2， Voc = 1.02 V和FF = 81.05％），與基于PEDOT:PSS 的相應器件相比，其PCE提高了50%，且幾乎沒有遲滯現象。此外，基于DMZ的電池器件在50%濕度的空氣中放置556 小時后，其PCE仍保持初始 90%，顯示了更好的穩定性。

通過系統研究空穴傳輸層薄膜厚度對鈣鈦礦形貌和器件性能的影響，發現：隨著空穴層的厚度從 3.5 nm 上升至 30 nm （相應DMZ 溶液濃度為 0.5 m/ml 到 6.0 mg/ml），空穴傳輸層的表面接觸角也從 21.1 o 上升為84.0 o，直接影響了鈣鈦礦層的薄膜晶粒尺寸和結晶程度，使得鈣鈦礦層缺陷態密度也有較大變化，進而影響了器件的 Voc 和 FF；其中FF 從81.38% (最高為82.57%) 降至68.22%，而Voc 則從0.99 V 上升至 1.03 V；當空穴傳輸層厚度為~13nm時 (濃度為 2 mg/ml )，器件的性能最佳，PCE高達18.61%。