【材料】JMCA封面：OLED材料与钙钛矿电池完美结合
注：文末有本文作者科研思路分析
有机—无机钙钛矿材料凭借其理想的带隙、较长的载流子扩散长度、高吸光系数、较小的激子分离能等优点在近些年聚集了众多科研工作者的目光，掀起了在光电领域的研究热潮。根据NREL效率图，目前基于正置高温二氧化钛结构钙钛矿电池的光电转化效率已经突破了22.1%。倒置P-I-N结构平面钙钛矿电池因其更适宜于低温卷对卷工业化生产，具有很高的商业价值。然而，这种结构电池的光电转化效率依然落后于正置二氧化钛结构，其主要原因为载流子传输层的传输效率较低，表现在器件相对较小的开路电压(0.95 V)。
近日，苏州大学冯敏强教授课题组在Journal of Materials Chemistry A 报道了一种简单的掺杂(F4-TCNQ)策略以改良传统空穴传输层PEDOT：PSS的空穴传输效率。基于这种策略改性的P-I-N结构的平面钙钛矿电池(CH3NH3PbI3-XClx)的光电转换效率达到17.22%，重要的是器件的开路电压和短路电流同时有明显的增加。针对钙钛矿薄膜的表面形貌和结晶性表征后，他们发现低浓度的掺杂并未改变钙钛矿薄膜的生长机理（如图1所示）。通过紫外光电子能谱仪测试对掺杂前后PEDOT:PSS薄膜进行表征，发现掺杂后的薄膜功函数有明显的加深，使其更加匹配钙钛矿薄膜的价带能级，也就更有利于空穴的传输。四探针法测试表明，掺杂后的PEDOT:PSS薄膜导电性比未掺杂薄膜的导电性提高了7倍左右，因此载流子在传输过程损失的几率大大减少。此外，因F4-TCNQ的非潮解性，制备后的器件稳定性也有一定程度的提升。
图1. (a)-(c)分别为器件结构、能级图以及两种材料的分子式；(d)和(c)分别为在未掺杂和掺杂后PEDOT:PSS基底上生长的钙钛矿薄膜；(f)为钙钛矿薄膜在不同基底的XRD衍射图
图2. (a)为器件的光伏特性曲线；(b)和(c)为掺杂不同浓度F4-TCNQ的PEDOT:PSS薄膜的电学性质
鉴于这种掺杂PEDOT:PSS策略的简易性，以及PEDOT:PSS当前在有机光电子器件中的广泛应用，这项工作的意义不仅在对于钙钛矿太阳能电池，更是对于有机太阳能电池、有机发光二级管(OLED)、有机热电器件等有借鉴价值。这项工作被Journal of Materials Chemistry A 杂志收录为2017年热点文章，并被遴选为当期封面文章。文章第一作者是苏州大学功能纳米与软物质学院研究生刘东洋。
该论文作者为：Dongyang Liu, Yong Li, Jianyu Yuan, Qiuming Hong, Guozheng Shi, Daxing Yuan, Jian Wei, Chenchao Huang, Jianxin Tang and Man-Keung Fung
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Improved performance of inverted planar perovskite solar cells with F4-TCNQ doped PEDOT:PSS hole transport layers
J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 5701-5708, DOI: 10.1039/C6TA10212C
导师介绍
冯敏强
http://www.x-mol.com/university/faculty/18381
科研思路分析
Q：研究的最初想法是什么？
A：众所周知，提升钙钛矿电池性能的策略有高质量钙钛矿薄膜的制备以及开发高性能载流子传输层材料等。鉴于本课题组在OLED领域的经验，于是我们设想能否借用OLED材料以提升空穴传输层的载流子传输效率，来提高倒置钙钛矿电池的性能。首先我们知道能级匹配是载流子注入和传输的必要条件，Al4083型号的PEDOT:PSS功函数和钙钛矿薄膜有较大的差异（尽管各课题组对钙钛矿薄膜的价带能级表征结果不同），高导电的PH1000型号功函数则更低。因此，我们希望找到一种掺杂剂能够维持Al4083的功函数，于此同时提升其导电性。我们尝试了一些深能级的P型掺杂剂，其中F4-TCNQ的掺杂结果最为理想，掺杂后的薄膜能级更加匹配，薄膜的导电性也有明显的提升，这些都有利于电池的空穴注入和传输。
Q：研究中遇到的挑战有哪些？
A：首先，之前相关的研究和我们的经验都表明钙钛矿的结晶过程容易受到基底的影响。经过多次反复的试验，我们仔细比对了钙钛矿薄膜在掺杂前后PEDOT:PSS薄膜上的SEM和XRD图谱，最终排除了这个因素。其次，明确F4-TCNQ和PEDOT:PSS之间的作用机制是本项研究中另一个主要的难点。这里，我们使用了UV-vis并未发现电荷转移态(C-T)特有的相关吸收峰的出现。当然，这也超出了本论文的研究范畴，二者的相互作用机制也在进一步的研究中。
Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？
A：如上所述，考虑到这种掺杂策略的简便性以及PEDOT:PSS在有机光电子器件中的广泛应用，这项研究工作不仅对于实现钙钛矿电池的卷对卷工业化生产具有较强的推动作用，更是对于其他有机光热电子器件有很好的借鉴意义。
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