暨南大学麦耀华团队Adv. Mater.：调制C60电子传输层以制备高效无机CsPbI2Br钙钛矿太阳电池及模组

日益加剧的能源与环境危机促使人们不断寻求绿色可再生的新能源形式。太阳电池可将源源不断的太阳光直接转化为电能，是一种理想的可再生能源。近年来，钙钛矿型太阳电池的能量转换效率不断攀升，经认证的效率已突破25.2%，已经达到甚至超过了产业化的要求，加之其低廉的制备成本，灵活多变的制备方法使其受到了广泛的关注。但是，稳定性方面的缺陷仍然亟待解决以满足商品化的需求。虽然全无机钙钛矿太阳电池有望能从根本上解决有机-无机杂化钙钛矿太阳电池的热不稳定问题，但较大的开路电压（V_OC）损失以及大面积成膜工艺的缺陷带来的性能衰退问题仍然制约了其进一步的发展。

近日，暨南大学麦耀华团队和中科院深圳先进技术研究院等单位合作在高效无机CsPbI₂Br钙钛矿太阳电池及模组的研究中再次取得进展，他们采用三(五氟苯基)硼烷（TPFPB）以及高氯酸锂（LiClO₄）双掺杂的方式对C₆₀电子传输层进行调制，大大降低了太阳电池器件的开路电压（V_OC）损失，并通过自主研发的准曲面热辐射加热的薄膜制备方法，首次报道了基于无机钙钛矿材料的太阳电池模组，效率超过12%。

由于路易斯酸TPFPB掺杂剂分子的吸电子特性（图1a），使得C₆₀分子中电子对核屏蔽减弱，从而降低了C₆₀分子的LUMO能级（图1e），增大了ZnO与C₆₀之间的导带能级差，增强了界面电子漂移驱动力，进而增强了电子的注入（图1f）。

图1. C₆₀与TPFPB分子相互作用

倒置无机CsPbI₂Br钙钛矿太阳电池器件的V_OC随TPFPB的掺入获得了100 mV以上的提升（图2a），能量转换效率也超过了15%（图2b），但同时也引入了较为严重的回滞效应问题，从而造成了器件的稳定输出功率呈现先上升后持续下降的现象（图2d）。

图2. TPFPB掺杂，器件对应的光伏性能

分析造成回滞现象加重的原因发现，由于TPFPB分子的添加，影响了相邻C₆₀分子之间的π电子跳跃传输，从而降低了体系的电子迁移率以及电导率，造成了电池器件回滞效应的增大。因此，进一步采用不易吸湿潮解的锂盐（LiClO₄）进行掺杂，增强了薄膜的电子迁移率及电导率（图3）。

图3. c-AFM图及电流分布统计：a）空白样品；b）TPFPB掺杂样品；c）双掺杂样品

微量的LiClO₄掺杂不仅可以进一步提升器件效率，还可以显著降低回滞效应，最终基于双掺杂C₆₀电子传输层的倒置无机CsPbI₂Br钙钛矿太阳电池在小面积0.09 cm²取得了15.19%能量转换效率（图4b），在大面积1.0 cm²上取得了14.44%效率（图4d），是目前有报道基于CsPbI₂Br钙钛矿吸收层在1.0 cm²上获得的最高能量转换效率。

图4. 双掺杂C₆₀电子传输层对应太阳电池在不同面积上的光伏性能

进一步的工作，作者首次报道了基于无机钙钛矿材料的太阳电池模组。考虑到前期工作中采用的热辐射加热方式，其应用于大面积衬底上薄膜制备过程中，会造成衬底中心区域的低温相转变过程大幅度滞后于边缘区域（图5b₁），最终导致边缘区域过度结晶而发生相分离现象。该工作通过自主研发的准曲面热辐射加热方法，即在衬底正下方引入一曲面玻璃（图5a），用以提升中心区域的温度，从而达到中心区域与边缘区域同步相转变的目的，最终基于衬底尺寸5×5 cm²，首次报道了基于无机钙钛矿材料的太阳电池模组（10.92 cm²），且效率高达12.19%。

图5. 无机钙钛矿太阳模组的制备方法示意图及光伏性能

相关研究论文发表在材料科学领域顶级期刊Advanced Materials。博士生刘冲为第一作者，麦耀华教授和杨玉照副研究员为文章共同通讯作者。

该研究得到国家重点研发项目(2018YFB1500103、2016YFA0201001)、河北省高校高层次人才科学研究项目(GCC2014013)、广东省高水平大学建设经费的支持。

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）：

Tailoring C₆₀ for Efficient Inorganic CsPbI₂Br Perovskite Solar Cells and Modules

Chong Liu, Yuzhao Yang, Cuiling Zhang, Shaohang Wu, Liyu Wei, Fei Guo, Gowri Manohari Arumugam, Jinlong Hu, Xingyuan Liu, Jie Lin, Ruud E. I. Schropp, Yaohua Mai

Adv. Mater., 2019, 32, 1907361, DOI: 10.1002/adma.201907361

导师介绍

麦耀华

https://www.x-mol.com/university/faculty/60203