阿克隆大学巩雄教授团队Adv. Mater.：高性能三元钙钛矿-有机太阳能电池

点击蓝字关注我们

有机无机混合钙钛矿因为一种具有卓越的光电特性以及低成本的材料，被广泛研究应用于太阳能电池等光电领域。随着十几年的发展，尽管通过一些钙钛矿层及电子/空穴传输层的界面工程，基于3D钙钛矿的太阳能电池光电转化效率最高可超过25%，接近传统的硅基太阳能电池，但由于水和氧气会对其性能造成严重的影响，3D钙钛矿太阳能电池的性能稳定性仍需提高。目前，与层状的2D钙钛矿结合是一种有效解决3D钙钛矿太阳能电池稳定性差的方法。然而不管是2D/3D双层膜还是2D:3D混合钙钛矿复合材料仍然存在电荷传输不平衡的缺陷。在本篇报导中，在以4F-BEA作为A位大分子的2D钙钛矿的2D:3D混合钙钛矿材料的基础上，我们报导了一种新型溶液法制备三元钙钛矿-有机混合(以下简称三元混合钙钛矿)的薄膜策略，这有利于增加光电流及器件的稳定性，并抑制光电流的磁滞现象。同时，我们选择具有广泛的吸收范围的宅带隙共轭有机分子O6T-4F来拓宽钙钛矿材料对近红外部分的吸收。此外O6T-4F分子结构中的C=O双键可以与2D:3D钙钛矿中的Pb形成化学键，从而限制Pb²⁺的运动来有效地避免钙钛矿晶体结构的变形。我们的体系设计概念图如下： 
图1. 三元钙钛矿-有机混合二维概念图
相比较2D:3D混合钙钛矿，在掺入O6T:4F形成三元混合物后，钙钛矿具有更好的薄膜品质，更高的结晶度以及更大的晶体尺寸。同时，三元混合钙钛矿材料具有更平衡的电荷传输性能，其载流子迁移率比从0.57提升至了0.86。在太阳能电池器件方面，对比2D:3D混合钙钛矿，三元混合钙钛矿的太阳能电池器件在大于800nm波长范围内也存在光电转化，其器件的最高效率可以达到23.06±0.70%，是目前p-i-n结构器件的最高效率之一，同时光电流磁滞指数显著下降，仅为0.035，而2D:3D混合钙钛矿太阳能电池器件为19.95±0.48%和0.104。此外，由于Pb与C=O双键之间的化学键作用限制了Pb²⁺的迁移，三元混合钙钛矿太阳能器件具有更良好的稳定性。在200ppm氧气，20%相对湿度的黑暗条件下在1800h后仍能保持50%的效率，相比于2D:3D混合钙钛矿提升了约300h。本项工作提出了形成钙钛矿-有机混合材料的方式来提升钙钛矿太阳能电池的效率及稳定性，为溶液法处理的钙钛矿太阳能电池的发展提供了一条新的方向。 
图2. (A)三元混合钙钛矿, 2D:3D混合钙钛矿及O6T-4F薄膜吸收谱图。三元混合钙钛矿和2D:3D混合钙钛矿 (B) 光致发光谱图, (C) 瞬态吸收谱图, (D) 1D GIWAXS (110)晶面谱图。(E) 三元混合钙钛矿, 2D:3D混合钙钛矿及O6T-4F的FTIR谱图。(F) 3D MAPbI₃ and 3D MAPbI₃:O6T-4F薄膜XPS谱图。 
图3.  晶界中有机受体/钙钛矿界面的 DFT 几何和电子结构 (A) DFT-PBE 优化的晶界界面结构。(B)、(C) 和 (D) DFT-HSE-SOC 预计状态密度 (PDOS) 和部分电荷密度，对应于导带边缘附近的 DFIC 贡献。 
图4. 以3D MAPbI₃, 2D:3D混合钙钛矿和三元混合钙钛矿薄膜为基础的 (A)仅有电子传输层, (B)仅有空穴传输层的器件的J-V曲线。  
图5. 以2D:3D混合钙钛矿和三元混合钙钛矿薄膜为基础的器件的(A) J-V曲线, (B)EQE谱图, (C)器件效率分布图, (D) 时间-初始效率百分比的稳定性曲线, (E)瞬态光电流曲线, (F)光强-开路电压/短路电流曲线。 

作者简介

向上滑动阅览

第一作者：朱焘博士，沈乐宁博士研究生 ，阿克隆大学通讯作者：Xiong Gong 教授， 阿克隆大学, Jean-Luc Bredas 教授，亚利桑那大学

原文链接

https://doi.org/10.1002/adma.202109348

相关进展

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。