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Solar RRL 封面:高效廉价的钙钛矿太阳能电池空穴传输材料

钙钛矿晶体结构是由俄罗斯矿物学家Lev Perovski于1839年研究钙钛矿石中的钛酸钙晶体时而提出。这类ABX3 结构材料,因其独特的晶体及电子结构,近年来在太阳能电池、量子点发光、催化和电催化等领域得到了广泛研究。有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池凭借着出色的光电转换效率(PCE)引起了能源科学家的广泛关注,自2009年来其光电转化性能取得突飞猛进的发展,目前最高PCE已突破22.1%。钙钛矿太阳能电池在追求高转换效率的同时,如何不断提高电池稳定性、降低成本、直至走向实用化是当前的研究热点。


空穴传输层是钙钛矿太阳能电池的重要组分,对电池效率、稳定性以及生产成本具有至关重要的影响。目前被广泛采用的空穴传输材料是Spiro-OMeTAD,其光电性能表现优异。但由于Spiro-OMeTAD:(1)合成成本高、提纯困难;(2)作为空穴传输层必须足够厚(通常~200 nm)以实现高转化效率;(3)需要氧掺杂;极大限制了其钙钛矿太阳能电池的应用推广。因此,开发高效、廉价的新型空穴传输材料成为一大研究热点。


近日,南京理工大学唐卫华教授(点击查看介绍)和美国托莱多大学鄢炎发教授(点击查看介绍)课题组合作,他们以新型三蝶烯为核、以EDOT调节能级、通过高效Stille偶联成功合成了一种高效空穴传输材料TET (HOMO = -5.08 eV, LUMO = -2.30 eV),其合成成本仅为spiro-OMeTAD的1/5。更关键的是,研究者发现TET只需30 nm的厚度即可达到效率的最大值,比spiro-OMeTAD(约200 nm)薄上一个数量级,这使得单位器件上使用TET为空穴传输层的成本仅为spiro-OMeTAD的1/33。该论文的第一作者为南理工钱学森学院的孙宇浩和托莱多大学的王长磊同学。

图1. TET的合成路线图


研究者以TET为空穴传输材料制成了钙钛矿太阳能电池器件, PCE最高至19.14%,稳态效率达到18.6%,与spiro-OMeTAD(19.5% PCE和19.0% 稳态效率)接近。同时,基于TET的器件表现出高达81.4%的填充因子,高于spiro-OMeTAD (79.1%)。研究者通过进一步的理论计算、荧光淬灭及时间分辨荧光光谱、空穴迁移率等一系列测试,证明TET具有较spiro-OMeTAD更高的空穴迁移率,利于空穴的传输和提取。

图2. (a)器件横截面的SEM图与(b)平面钙钛矿太阳能电池的各组成的能级排布图


图3. 以TET和Spiro-OMeTAD为空穴传输层钙钛矿太阳能电池(a)在 100 mW/cm2 (AM1.5 G)照射下反扫时的J-V 曲线,及其(b) EQE 曲线和由此获得的最佳器件Jsc;(c)最佳TET器件在0.898 V偏电压下的稳态电流;(d)25个TET电池的PCE分布图 。


图4.(a)荧光和(b)时间分辨荧光光谱


值得一提的是,作为空穴传输层的TET并不需要氧掺杂,这有效避免了器件封装时PCE的损失。即便是未封装的TET 器件,在60%湿度和室温条件下依然显示出良好的稳定性。同时,TET具有出色的溶解性,在器件制备过程中可使用甲苯等非卤溶剂,更适应面向应用推广的大规模溶液生产。因此论文审稿人指出:TET的开发为钙钛矿太阳能的商业化迈出了重要的一步。这一成果近期发表在《Advanced Material》新子刊《Solar RRL》(DOI: 10.1002/solr.201700175)上,并被选为该刊2018年首期的封面。

图5. 《Solar RRL》期刊封面


该论文作者为:Yuhao Sun, Changlei Wang, Dewei Zhao, Jiangsheng Yu, Xinxing Yin, Corey R. Grice, Rasha A. Awni, Niraj Shrestha, Yue Yu, Lei Guan, Randy J. Ellingson, Weihua Tang, Yanfa Yan

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

A New Hole Transport Material for Efficient Perovskite Solar Cells With Reduced Device Cost

Solar RRL, 2017, DOI: 10.1002/solr.201700175


导师介绍

唐卫华

http://www.x-mol.com/university/faculty/21260

鄢炎发

http://www.x-mol.com/university/faculty/39449


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