D-A型无掺杂聚合物空穴传输材料，钙钛矿太阳能电池效率高

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有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSC）具有十分优良的光电性质，比如高介电常数、较长的扩散长度、高吸光因子以及高电荷迁移率。为了设计出更加高效的电池，利用电子传输层及空穴传输层将光致电子及空穴有效的提取出来就变得非常关键。但是，电子传输层及空穴传输层的迁移率通常比钙钛矿层低4-5个数量级，因此开发具有高迁移率的材料极其重要。对于空穴传输材料（HTM），三芳胺系列的小分子及聚合物材料，包括spiro-OMeTAD及PTAA应用广泛，但是它们的空穴迁移率却较低，一般需要掺杂剂（例如LiTFSI及tBP）来提高空穴迁移率。而在器件制造过程加入掺杂剂，则势必会影响到电池器件的稳定性。于是，科研工作者们也开始将目光转向了非掺杂的空穴传输材料的开发。

最近，韩国浦项工科大学（POSTECH）的Taiho Park教授团队在Advanced Energy Materials 杂志发表论文，报道了一种溶解性非常好的基于苯并二噻吩-苯并噻二唑（BDT-BT）的D–π–A型导电均聚物空穴传输材料PTEG。烷基链的调节在有机光电材料领域至关重要，本文作者将四甘醇（TEG）链引入D-A聚合物中，而TEG链可以与溶剂产生偶极子-偶极子相互作用提高溶解性。而且，柔性的TEG链可以通过阻止共轭主链扭转及增加π–π堆积影响到空穴迁移率。由于TEG链比烷基链的表面能更高，钙钛矿与PTEG的接触得到了明显改善。

图1. a）PTEG的化学结构以及在氯苯中的溶解性；b）PTEG的能级示意图。图片来源：Adv. Energy Mater.

与预期相同，将烷基链换成TEG基团后得到的聚合物PTEG的溶解度大大增强（图1a），即使聚合物的分子量大大增加，其溶解度也没有降低。图1b所示是钙钛矿与PTEG的能级示意图，由于PTEG的HOMO比钙钛矿要浅，所以空穴传输没有问题。

作者对于PTEG的物理性质进行了初步研究。PTEG在氯苯中的吸收边为700 nm（图2a），是典型的A-D型聚合物的吸收。PTEG的HOMO能级为-5.52 eV（图2b），热分解温度为300 ℃（图2c），表现出较强的热稳定性。

图2. a）PTEG在氯苯中的吸收；b）电化学测试；c）热重分析。图片来源：Adv. Energy Mater.

随后作者研究了PTEG材料的光伏性能。作为空穴传输材料，PTEG的效率分布图如图3a所示，左侧为介孔结构而右侧是平面异质结结构。数据表明，利用PTEG作为空穴传输材料在两种器件结构中都有较高的光电转换效率，而且效率的分布较为集中，在介孔器件中效率分布的稳定性更佳。为了考察掺杂剂的影响，作者分析了加入掺杂剂（ADD）和无掺杂剂的器件电流-电压曲线。在介孔结构钙钛矿电池器件中，加入掺杂剂会使效率略微提高，变化并不明显（图3b）。在平面异质结钙钛矿电池器件中，加入掺杂剂会使效率略微降低，变化同样不明显（图3c）。

图3. a）以PTEG为空穴传输层的介孔结构及平面异质结器件的效率分布图；b）介孔结构钙钛矿电池的电流-电压曲线；c）平面异质结钙钛矿电池的电流-电压曲线。图片来源：Adv. Energy Mater.

也就是说，是否加入掺杂剂对以PTEG为空穴传输层的钙钛矿电池器件的性能影响非常小。所以，PTEG是一个不需要掺杂的空穴传输材料。在不掺杂的情况下，PTEG在平面异质结钙钛矿太阳能电池中，表现出19.8%的最高效率。

器件参数表。图片来源：Adv. Energy Mater.

——结论——

Taiho Park教授团队通过更换D-A型聚合物的侧链为TEG基团，得到了在常见溶剂中溶解度良好的PTEG空穴传输材料。在不需要掺杂的情况下，基于PTEG空穴传输材料的平面异质结钙钛矿太阳能电池可以实现19.8%的最高效率，这也是迄今文献报道的非掺杂空穴传输材料器件的最高效率。不过，非掺杂的钙钛矿太阳能电池器件稳定性往往会比较好，而本文并没有进行稳定性研究，这有些遗憾。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Donor–Acceptor Type Dopant-Free, Polymeric Hole Transport Material for Planar Perovskite Solar Cells (19.8%)

Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701935

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