190304|PSCs系列-共轭聚合物界面层显著提升PSCs热稳定性!

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共轭聚合物界面层显著提升钙钛矿电池热稳定性

短短数年，钙钛矿太阳电池的转换效率从3.8%蹿升到23%以上，且具备成本低廉、工艺简单等优点，成为近年来光伏研究领域的热点。然而当前常规高效钙钛矿电池主要采用非稳定的有机阳离子（如甲基胺离子[CH₃NH₃⁺]在退火的过程中容易发生富集析出，即阳离子偏析）导致了薄膜的化学成分变化引起降解，导致电池不稳定，影响了电池寿命阻碍了电池的商业化发展。

围绕上述问题，由加利福尼亚大学洛杉矶分校Yang Yang教授课题组牵头的国际联合研究团队，通过在平面型钙钛矿电池的钙钛矿和空穴传输层之间引入具备良好空穴传输和抑制阳离子析出功能的共轭聚合物插层薄膜，有效抑制了阳离子的逃逸，保障了钙钛矿薄膜化学成分稳定，从而增强了电池的稳定性和寿命，实现了高达21.2%的稳态效率。研究人员首先采用传统的两步法制备了双阳离子双卤素的混合钙钛矿薄膜(FAPbI₃)_1-x(MAPbBr₃)_x（FA⁺、MA⁺依次为甲脒、甲胺离子），同时还在另外一个(FAPbI₃)_1-x(MAPbBr₃)_x薄膜表面生长一层具有良好导电性的共轭聚合物薄膜PTQ10，随后将两者置于150℃加热台退火处理。扫描电镜（SEM）和X射线表征显示，未覆盖和覆盖PTQ10聚合物膜的钙钛矿表面形貌呈现出显著差异性，前者的薄膜表面出现了大量分散白色碘化铅（PbI₂）晶粒（X射线中明显存在PbI₂对应的001衍射峰），意味在加热退火的过程中有一部分的钙钛矿分解了，主要是FA⁺阳离子遇热偏析逸出导致薄膜组分平衡打破；而覆盖了PTQ10聚合物钙钛矿薄膜则基本没有观察到PbI₂晶粒成分（X射线中PbI₂对应的001衍射峰较为微弱），表明PTQ10聚合物膜有效地抑制了阳离子的偏析逸出，保障了薄膜组分的稳定，避免了薄膜降解，提升了热稳定性。通过傅里叶变换红外光谱测试发现PTQ10聚合物能够与FA⁺阳离子形成强的分子相互作用，从而将其“锁住”避免其逃逸。掠入射广角X射线（GIWAXS）表征则发现，相比未覆盖PTQ10钙钛矿，覆盖了PTQ10的钙钛矿薄膜呈现出择优的钙钛矿衍射峰取向，意味着其具备了更加优异的载流子传输能力。随后将制备的钙钛矿薄膜组装成电池器件进行光伏性能测试，含有PTQ10聚合物薄膜的钙钛矿电池光电转换效率达到了21.2%，显著高于无PTQ10薄膜电池器件（18.9%），主要是前者的开路电压显著提升所致，主要原因是PTQ10聚合物插层薄膜处理后的钙钛矿薄膜带隙缩小与空穴材料的带隙匹配更好，从而实现了空穴更加高效的抽取，此外PTQ10良好的空穴传输特性增强了空穴的传输，从而减少了复合。随后在室温、40%的空气湿度环境下测试器件稳定性，结果显示连续光照1480小时后含有PTQ10未封装器件仍可保持初始效率的86%，相反无PTQ10未封装电池器件性能则出现了显著的衰退，效率仅为初始值的40%，主要是PTQ10薄膜疏水性有效隔绝了空气水分对钙钛矿薄膜的侵蚀。随后提高测试温度到85℃在手套箱内开展热稳定性测试，PTQ10电池器件在上述高温下连续运行430小时后依旧保持85%初始效率值，而无PTQ10电池器件则只能稳定运行200小时，表明了PTQ10薄膜显著改善了钙钛矿薄膜的热稳定性。

该项研究将热稳定性良好、空穴传输性能优异的聚合物薄膜覆盖于钙钛矿薄膜之上，在增强空穴抽取和传输的同时有效抑制阳离子的偏析，从而增强了电池的性能和稳定性，为钙钛矿电池商业应用奠定了关键技术基础。相关研究成果发表在《Journal of the American Chemical Society》[1]。

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[1] Lei Meng, Chenkai Sun, Rui Wang,, et al. Tailored Phase Conversionunder Conjugated Polymer Enables Thermally Stable Perovskite Solar Cells withEfficiency Exceeding 21%. Journal of the American Chemical Society. 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b10520

／End.

源自-先进能源科技战略情报研究中心（CASEnergy）

发布时间： 2019年2月

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