一周之内，钙钛矿太阳能电池连发Nature Nano、Science！

本周二，我们刚介绍完Nature Nanotechnology上关于钙钛矿太阳能电池的论文——2D MOF材料提升钙钛矿太阳能电池稳定性并减少铅泄漏（点击文字可阅读相关推文），才过几天，关于钙钛矿太阳能电池研究又登上Science，以下是本次文章具体介绍：

▲第一作者：Mingyu Jeong

通讯作者：Changduk Yang，Sang Kyu Kwak，Dong Suk Kim

第一单位：Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST)

DOI：10.1126/science.abb7167

背景介绍

钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells，PSCs)是成为新一代太阳能电池的领跑者。通过改善钙钛矿材料配方、器件制备工艺和膜层质量，实验室规模的钙钛矿太阳能电池已经实现了超过25%的功率转换效率(Power conversion efficiency，PCE)。迄今为止，由于本身无定形的结构，与掺杂剂良好的兼容性以及与钙钛矿匹配的能级，Spiro-OMeTAD仍然被认为是最高效的空穴传输材料（hole-transporting materials, HTM）。然而，需要进行化学掺杂来获得有效的空穴萃取和足够的导电性。而这种掺杂会对钙钛矿的稳定性产生负面影响，阻碍钙钛矿太阳能电池的商业化。

本文亮点

1、 对传统的空穴传输材料Spiro-OMeTAD进行氟化异构，设计制备出Spiro-mF和Spiro-oF。

2、 通过实验、原子和理论分析，研究了结构异构引起的结构性能关系。

3、 基于氟化空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池器件效率高达24.82%，未封装的器件在潮湿环境下具有长期稳定性（500小时之后仍然能保持87%的效率）。同时，大面积器件的效率也达到了22.31%。

图文解析

● 图1 不同空穴传输材料的光学、电化学特性以及密度泛函计算
1、Spiro-mF和Spiro-oF两个氟化异构的空穴传输材料是通过两次Buchwald-Hartwig C-N交叉偶联反应获得。

2、相对于Spiro-OMeTAD, Spiro-oF明显蓝移的最大吸收峰导致了光学带隙的净增宽，这是由于氟原子在共轭主链的芳香环上感生出吸电子效应。

3、能级图证明氟化可以同时降低HOMO和LUMO能级。

4、Spiro-mF和Spiro-oF在密度泛函计算出的结构构象和电子分布上存在着明显差异。

● 图2 不同空穴传输材料的光伏性能
1、 基于Spiro-OMeTAD的器件功率转换效率达到了23.44%，短路电流J_sc为26.04 mA cm^-2，开路电压V_oc为1.152 V，填充因子FF为78.13%，与已报道的单结钙钛矿太阳能电池器件中的最好功率转换效率相当。

2、 基于氟化空穴传输材料的器件分别表现26.34和26.35 mA cm^-2的短路电流，以及超过了1.16 V的开路电压，表明二者更低的HOMO能级。

3、 基于Spiro-mF的器件表现出80.90%的填充因子，并获得了最高的功率转换效率24.82%。

4、 器件功率转换效率的标准差较小，证明其优秀的重复性。

5、 大面积（1 cm²）的功率转换效率最高为22.31%，对应的V_OC、J_SC和FF分别为1.178 V、25.51 mA cm^-2和74.22%。

● 图3 基于不同空穴传输材料的器件的长期稳定性和疏水性
1、 在长达500小时的测试中，基于Spiro-OMeTAD的器件功率转换效率从23.21%下降到了13.74%，仅保持了60%的初始功率转换效率。

2、 两种基于氟化空穴的传输材料都保持了超过87%的初始功率转换效率。

3、 XRD数据表明基于Spiro-OMeTAD的器件在经历500小时测试后明显恶化，而基于氟化材料的器件没有明显杂质峰出现。

4、 相对于Spiro-OMeTAD，氟化材料的水接触角更大，吸湿性下降，这是因为氟原子产生了屏障从而减缓了氧气和水的侵入。

● 图4 不同空穴传输材料的分子模拟
1、 相对于其他两种材料，Spiro-mF的分子结构更加展开。

2、 通过分子动力学模拟研究了三种材料在钙钛矿表面的吸附状态，发现相比于Spiro-OMeTAD，Spiro-mF和Spiro-oF吸附的更加紧密。

3、 相较于Spiro-oF，Spiro-mF中的芴单元更加靠近钙钛矿的表面。

4、 根据分子动力学模拟，Spiro-mF中的芴和苯基基团被同时吸附在钙钛矿表面，而Spiro-oF则不是，从而导致了Spiro-mF更高的空穴转移积分（56 meV）。

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/369/6511/1615