杂原子作用对于钙钛矿太阳能电池空穴传输材料的影响

太阳能电池是解决当前全球“能源危机”方法中很有希望的一种，科学家们一直在寻找更有效的光伏材料，以提高太阳能电池器件的效率、稳定性，并降低成本。基于有机无机金属卤化物钙钛矿材料的太阳能电池的光电转换效率已经突破了23%，接近市场上的传统硅基太阳能电池。而且钙钛矿太阳能电池具有传统电池无法比拟的优势，例如带隙可调、双极电荷传输、良好的光吸收、成本低廉等。不论是平面异质结的钙钛矿电池还是介孔结构的钙钛矿电池，界面电荷选择性接触材料对于获得高效率及高稳定性都是关键。虽然许多空穴传输材料被开发出来，但是至今它们的分子结构与电荷传输性能之间的关系却并不明确。

近期，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Mohammad Khaja Nazeeruddin博士（点击查看介绍）领导的一个跨国研究团队设计合成了三种不含硫的新型星形空穴传输材料（HTM），分别包含苯并三吡咯、苯并三呋喃和苯并三硒吩三种核，每种分子都连有三个臂状三苯胺单元（BTP-1、BTF-1和BTSe-1，图1），并且应用在了钙钛矿太阳能电池中。他们系统地研究了含杂原子的中心骨架对HTM材料电化学和光物理性质以及光伏性能的影响，并与其富含硫的类似物（BTT-3）进行了比较。

图1. 拥有C₃对称核的空穴传输材料的化学结。图片来源：Adv. Funct. Mater.

相关材料的电化学及光学性质研究表明，BTF-1、BTSe-1、BTT-3的HOMO能级相近，分别是−5.38 eV、−5.37 eV、−5.37 eV。其中，BTP-1展示了最大的给体特征，由于吡咯的作用，BTP-1展现了较浅的HOMO能级，只有−5.05 eV。BTF-1、BTP-1、BTSe-1三种材料都具有与混合钙钛矿的价带较匹配的HOMO值，这确保了从钙钛矿到空穴传输材料有效的空穴注入。

图2. 四种材料的CV曲线及吸收曲线。图片来源：Adv. Funct. Mater.

表1. 材料的电化学及光学参数。图片来源：Adv. Funct. Mater.

从图3a可以看出，各个材料之间能级都形成了非常好的阶梯状排布，这可以实现较好的电荷转移。作者使用这些空穴传输材料制备了钙钛矿太阳电池，并测试了这些电池器件的性能。

图3.（a）钙钛矿电池各个材料的能级示意图，（b）钙钛矿电池的截面电镜示意图。图片来源：Adv. Funct. Mater.

相关钙钛矿器件的参数如图4和表2所示。其中，基于BTSe-1的器件具有18.5%的光电转换效率，主要是由于填充因子及短路电流密度较高。基于BTF-1的器件的效率略低，其性能与基于传统spiroOMeTAD材料的相关器件的性能类似。而基于BTP-1的器件性能却明显降低，只有15.5%，而且迟滞现象明显，这主要是由于中间的结构更加拥挤且具有更高的重组能，这使得电荷抽取/传输更加困难，使得填充因子降低。BTF-1更高的开路电压要归因于BTF-1所具有的更深的HOMO能级。基于BTF-1与BTSe-1的器件，展现出了与基于BTT-3器件相似的性能。

图4.（a）电流-电压曲线，（b）电导测试曲线。图片来源：Adv. Funct. Mater.

由于空穴传输材料的性能与电导有直接相关的关系，如图4b所示，作者测试了几种材料的电导。BTP-1、BTF-1、BTSe-1及BTT-3的电导数值分别是1.16 × 10^-4、 1.03 × 10^-4、7.88 × 10^-5 以及2.11 × 10^-4 S cm^-1。电导数值比较类似，这说明器件性能不只与空穴传输材料测试的电导有关，重组能与电子耦合都是需要着重考虑的因素。

表2. 器件参数表。图片来源：Adv. Funct. Mater.

小结

本文作者通过含有几种不同杂原子的空穴传输材料应用于钙钛矿电池器件，分析了不同杂原子对材料光学及电化学性能的影响。含有O原子的空穴传输材料表现出了最优的性能，这可能是由于O原子上的孤对电子与钙钛矿发生作用。这一结论为以后设计空穴传输材料提供了很多借鉴，而且也展示出含有S与O的空穴传输材料在将来工业生产中的潜力。

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）：

Heteroatom Effect on Star-Shaped Hole-Transporting Materials for Perovskite Solar Cells

Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1801734, DOI: 10.1002/adfm.201801734

导师介绍

Mohammad Khaja Nazeeruddin

http://www.x-mol.com/university/faculty/2752