富勒烯双重作用助力高性能碳基钙钛矿太阳能电池

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近年来，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)的研究和发展受到了广泛的关注，通过对钙钛矿材料的调控、器件界面设计与结构优化等方法使得光电转换效率从2009年的3.8%快速提高到现在的25.2%。这一效率已经超过薄膜太阳能电池，而与商业化成熟的晶体硅太阳能电池已经非常接近，然而钙钛矿太阳能电池的成本，效率和稳定性问题仍未得到合理的解决。

对此，北京科技大学齐俊杰教授课题组基于TiO₂电子传输层结合富勒烯PC₆₁BM制备出高效碳基平面型钙钛矿太阳能电池，成功获得开压1.005V，效率14.37%且具有超强稳定性的双电子传输层碳基平面钙钛矿太阳能电池，并采用Time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS)测试方法证明了PC₆₁BM的双重作用，即起到了电子传输层的作用，高效的提取电子，减少电子和空穴的复合几率，同时也作为添加剂改善钙钛矿的结晶质量，从而提高电池的性能。

图1. (a) 电池器件Time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS)的深度剖面图，（b）PC₆₁BM/Perovskite和m-TiO₂/Perovskite的X射线衍射（XRD）谱和CH₃NH₃PbI₃相的ICSD

TOF-SIMS测试表明，在钙钛矿层中有PC₆₁BM的存在，在电池制备过程中，PC₆₁BM有部分溶解在钙钛矿层中，从而起到了调节钙钛矿结晶的作用，图1(b)对PC₆₁BM/Perovskite和m-TiO₂/Perovskite样品进行了XRD的测试并与CH₃NH₃PbI₃相的ICSD进行对比，从而得出PC₆₁BM的添加未改变钙钛矿的晶体结构，但是改善了钙钛矿的结晶质量，提高了电池的效率。

图2. 在30-40%湿度室温下双电子传输层电池性能的稳定性测试

进一步对双电子传输层的光伏器件进行稳定性测试，在湿度为30-40%s室温条件下，对电池的光伏参数（PCE, Voc, Jsc, FF）进行了80天的稳定性测试，从测试结果表明，器件的光伏参数在近3个月内变化幅度小，说明该器件稳定性高，值得提出的是，光伏电池的开路电压高达1.005V，所以通过构筑双电子传输层平面结构碳基钙钛矿太阳能电池，引入PC₆₁BM层有利于电池界面电荷的转移，改善电池的界面性能和钙钛矿结晶质量，提高钙钛矿层与碳电极之间的界面接触，从而为钙钛矿太阳能电池的商业化提供了可能。

本文共同第一作者为北京科技大学硕士研究生范伟利，卫哲。通讯作者为北京科技大学齐俊杰教授。

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High-performance carbon-based perovskite solar cells through the dual role of PC₆₁BM

Weili Fan, Zhe Wei, Zhenyun Zhang, Fazheng Qiu, Chaosheng Hu, Zhichao Li, Minxuan Xu and Junjie Qi

Inorg. Chem. Front., 2019,3, 2767-2775

http://dx.doi.org/10.1039/C9QI00693A

*文中图片皆来源上述文章