Nat. Energy：以芴为端基的空穴传输材料，钙钛矿太阳能电池效率创新高

在过去几年中，有机-无机混合钙钛矿太阳能电池（PSC）由于良好的光物理特性、较低制造成本以及较高的能量转化效率（PCE）等优点，引起国内外科学家的广泛关注和研究，文献报道的PCE已经超过22%。目前常用的高效PSC是包含n-型介孔结构TiO₂和p-型spiro-OMeTAD（或者PTAA）的器件结构。光吸收层一般选用FA-阳离子钙钛矿材料。为了提高器件的效率和稳定性，在钙钛矿材料中引入了Cs或者Rb。然而，除了钙钛矿层之外，界面材料处的能量损失是限制器件开路电压（V_oc）的重要因素。因此，通过选用具有合适能级以及电荷传输能力的界面传输材料来增大器件的内建电势和提高V_oc，是增大PSC器件效率的有效途径。

最近，韩国化学技术研究所（KRICT）的Jangwon Seo课题组报道了一个以芴为终端的具有高玻璃化转变温度的空穴传输材料（HTM）DM（图1）。他们将该材料应用到钙钛矿太阳能电池器件中得到了最高23.2%的器件效率，稳定小面积器件（约0.094 cm²）效率可达22.85%，大面积器件（约1 cm²）效率可达21.7%。作者还发现该器件具有良好的热稳定性，在60 ℃下500 h仍能保持95%的器件效率。

图1. HTM的光学、电化学以及热性能。图片来源：Nat. Energy

为了评估DM作为空穴传输材料的能力，作者制备了bl-TiO₂ / mp-TiO₂ / (FAPbI₃)_0.95(MAPbBr₃)_0.05 / HTM / Au器件，器件的SEM剖面图如图2a所示。DM作HTM时，最好的器件效率是23.2%（图2b），正反扫仅有很轻微的迟滞现象。此外作者还制备了大面积器件（0.991 cm²），器件性能优良（图2c）。作者认证的大面积器件（1 × 1 cm²）效率高达20.9%，这是目前报道的最高效率。

图2. DM作为HTMs时的器件性能。图片来源：Nat. Energy

作者通过不断调节空穴传输层中添加剂的量，得到了最优器件性能22.3%（见图3a），不同添加剂，器件效率分布如图2e。从器件的能级图（图3b）可以看出与spiro-OMeTAD相比，DM具有更深的HOMO能级（约0.0 5eV），这与图3c中V_oc的分布趋势是一致的，这说明当用DM取代spiro-OMeTAD时器件可以获得更高的内建电势。

图3. 不同HTMs的钙钛矿电池的器件结构以及器件性能。图片来源：Nat. Energy

为了验证DM的热稳定性，作者做了一系列测试（图4）。作者分别对纯DM和加入添加剂的DM进行了DSC扫描（图4a），发现加入添加剂后玻璃化转变温度（T_g）由161 ℃下降到90 ℃。据文献报道spiro-OMeTAD也表现出相似的行为，加入添加剂后T_g由120 ℃下降到50 ℃，因此基于spiro-OMeTAD的器件由60 ℃加热到80 ℃时效率急剧下降（图4b）。而DM器件虽然加热到80 ℃后有轻微衰减，但是表现出了良好的稳定性。在60 ℃下加热500 h后，器件效率仍能保持95%（图4c）。

图4. 器件的热和光伏稳定性。图片来源：Nat. Energy

为了实现钙钛矿太阳能电池的商业化应用，高效率以及长期的稳定性都不可缺少。在这篇文章中，作者通过引入芴端基，对spiro-OMeTAD进行了有效的修饰，明显提高了热稳定性。但是这个材料仍然没有摆脱添加剂，我们都知道，调控HTM中添加剂的量不利于商业化大面积生产，此外添加剂对器件长期的稳定性也有影响。但无论如何，这一研究使得我们在钙钛矿电池商业化应用的道路上又前进了一步。

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 fluorene-terminated hole-transporting material for highly efficient and stable perovskite solar cells

Nat. Energy, 2018, 3, 682, DOI: 10.1038/s41560-018-0200-6