华盛顿大学Alex K-Y Jen团队Adv. Mater.：钙钛矿太阳能电池PK有机太阳能电池，何不双剑合璧？

有机太阳能电池（OPV）与钙钛矿太阳能电池（PSC）作为新型的清洁能源转换手段，由于可制备成柔性、可印刷加工的器件而受到全球材料、能源、物理等领域相关科学家的关注。相比于有机太阳能电池，钙钛矿电池的发展趋势可谓愈加突飞猛进，在短短几年内其光电转换效率就从9.7%达到22.1%。但是，在近两年报道的高效PSC的吸收边通常为800 nm左右，这限制了其对太阳光谱中近红外光区的吸收，造成了太阳能量的浪费。

拓宽PSC的吸收主要有两种途径：（1）设计调控钙钛矿的配方，常常采用引入Sn原子；（2）叠层电池，即通过将两层电池（一层为窄吸收，另外一层为宽吸收）串联在一起的策略。但是，这两种途径都有明显的缺陷：策略1中含有Sn的配方容易发生氧化，导致相应电池的稳定性出现下降；而策略2中叠层电池器件工艺非常繁冗，会导致成本的大幅度增加，不适合大规模批量生产。

在OPV领域，尽管光电转换效率不如钙钛矿电池，但是却不乏吸收达到近红外区的材料。那么，是否能够将PSC与OPV的优势紧密结合，来克服高效钙钛矿电池的缺陷？是否可以同时保持原有PSC的开路电压、填充因子（FF），而通过进一步提高短路电流以增大光电转换效率？

Alex K-Y Jen教授。图片来源：University of Washington

最近，美国华盛顿大学Alex K-Y Jen教授（点击查看介绍）研究团队巧妙的变换思路，采用非常简单的工艺，设计制备了OPV/PSC杂化电池，解决了高效PSC在近红外区缺乏吸收的缺陷，并对杂化电池中高填充因子、高短路电流以及高开路电压的原因展开了细致研究。这一工作发表在Advanced Materials 杂志上，为进一步提高OPV与PSC这两种电池光电转换效率、突破现有的效率瓶颈提供了新思路。

图1. a）OPV/PSC杂化电池的器件结构；b）杂化电池中相关材料的能级图；c）杂化电池的扫描电镜。图片来源：Adv. Mater.

作者制备的OPV/PSC杂化电池的器件结构如图1a所示，采用的是平面异质结的正装器件，与传统器件结构不同的是，作者巧妙的将PSC中的空穴传输层更换成OPV的活性层（给受体材料的体相异质结）。器件中相关材料的能级示意图（如图1b）中可以看到，有机太阳能电池层的给体材料DPPZnP-TSEH的HOMO能级为-5.20 eV，与钙钛矿的价带非常匹配，匹配优良的能级不仅有利于空穴的提取及传输，也能降低界面间的能量损失。

对于杂化电池的开路电压能够保持原有PSC的高开路电压，而没有受OPV层小电压的限制，作者引用了准费米能级压制模型进行解释。

杂化电池中的有机电池层所用到的给体材料（图2a）以卟啉为核，两侧是DPP单元，中间通过炔键进行桥联，而侧链采用烷基链的硫化物进行修饰。该材料在溶液剂薄膜处的吸收如图2b所示，薄膜吸收覆盖了紫外-可见-近红外区，正是其800-900 nm范围内较强的吸收可以弥补PSC在近红外区的吸收。

图2. a）有机太阳能电池层用到的给体材料；b）该材料在溶液剂薄膜中的吸收。图片来源：Adv. Mater.

作者测试了采用Spiro-OMeTAD作为空穴传输材料的器件（参比器件）与杂化电池器件的电流-电压曲线（图3a），杂化电池中开路电压几乎没变，而短路电流及填充因子相对于参比器件均有明显提高，从而其光电转换效率由之前参比器件的17.6%提高到19.0%。从图3c中可以明显看出在800-875 nm，杂化电池出现了新的较强的光伏响应，最高点接近40%，这就是其短路电流比参比器件明显增大的原因。

图3. a）采用Spiro-OMeTAD作为空穴传输材料的器件（参比器件）与杂化电池的器件电流-电压曲线；b）最优杂化电池电流及光电转换效率的稳定数值；c）参比器件与杂化电池的外量子效率曲线；d）杂化电池与参比器件外量子效率之差以及卟啉材料的薄膜吸收。图片来源：Adv. Mater.

比较有机太阳能电池与杂化电池的光伏参数（表1），杂化电池的填充因子相对于OPV及PSC都有所提高。然而，为何会出现提高，作者将其归因于以下几个因素：（1）通过改变给受体的比例造成；（2）双添加剂促使其OPV层形成了多维尺度相分离以及卟啉的结晶；（3）DIO的作用使得多数PCBM区域趋向上层靠拢，则会有更多的给体材料靠近钙钛矿层，有利于钙钛矿层向阳极的空穴传输；（4）靠近钙钛矿层的卟啉材料拥有S原子，有利于钝化钙钛矿结晶的缺陷态；（5）加入PCBM后，其光导作用促使其抑制复合。这几种的多重相互作用导致了杂化电池中FF的提高。

表1. 有机太阳能电池与杂化电池的光伏参数表。图片来源：Adv. Mater.

此外，作者还利用飞秒瞬态吸收光谱研究了杂化电池的载流子动力学行为（图4）。

图4. 飞秒瞬态光谱吸收分析。图片来源：Adv. Mater.

总之，作者采用极为简单的工艺将有机太阳能电池与钙钛矿太阳能电池巧妙地进行了结合，使二者的优势形成合力，不仅拓宽了钙钛矿太阳能电池的吸收，促使其电流进一步增大，而且保留了钙钛矿电池原有的大开路电压，而且通过一系列的形貌调控使其填充因子得到提高，从而制备了高效率的杂化电池。这为进一步提高钙钛矿电池的效率提供了一条新途径，也是一种突破现有有机太阳能电池及钙钛矿太阳能电池“瓶颈”的可行性方案，而且为将来光伏行业的应用提供了一种新的高效器件模型。该论文的合作者还包括华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室的彭小彬教授。

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）：

Highly Efficient Porphyrin-Based OPV/Perovskite Hybrid Solar Cells with Extended Photoresponse and High Fill Factor

Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201703980

导师介绍

Alex K-Y Jen

http://www.x-mol.com/university/faculty/1589