钙钛矿电子传输材料低成本新突破？用低成本的辅酶Q10如何？

引言钙钛矿以其长的载流子扩散长度、长的载流子复合寿命和宽的太阳光吸收光谱成为低成本、高性能钙钛矿太阳电池（PSCs）的高效光吸收材料。倒置平面结构的PSCs，通常使用富勒烯衍生物[6,6]-苯基-C61-异甲基丁酸盐（PC₆₁BM）作为电子传输材料。PC₆₁BM的迁移率可以满足PSCs的要求，但由于制备工艺复杂，成本问题突出。同时，PC₆₁BM的结构不易改性，在高温退火条件下倾于富集。此外，该分子对氧和水敏感，使得PSCs的长期稳定性受到严重制约。因此，我们急需开发一种替代的电子传输材料。
成果简介近日电子科技大学郝锋教授团队首次提出使用低成本的辅酶Q10作为电子传输材料，制备出了稳定性高，光电转换效率与PC₆₁BM基准相当的倒置结构PSCs。通过稳态和时间分辨光致发光光谱、空间电荷限制电流和莫特-肖特基等测试表明，辅酶Q10不仅具有高效的载流子传输和注入能力，同时能钝化钙钛矿与电子传输层的界面缺陷。密度泛函理论计算的差分电荷密度也验证了辅酶Q10的能从钙钛矿中获得更多的电荷传输。另外，辅酶Q10分子的烷基链有优异的疏水性，附着在钙钛矿表面可保护钙钛矿免受氧和水的影响，提高电池的稳定性。这项工作突出了辅酶Q10作为倒置PSCs的电子传输材料PC₆₁BM廉价替代品的巨大潜力。相关研究成果以“Low-Cost Coenzyme Q10 as Efficient Electron Transport Layer for Inverted Perovskite Solar Cells”为题发表在《Journal of Materials Chemistry A》上，材料与能源学院博士研究生谢莉莎为论文第一作者，李廷帅副教授，牛晓斌教授和郝锋教授为共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金和国家青年特聘专家启动经费的支持。图文导读图1 PC₆₁BM和辅酶Q10的能级测试PC₆₁BM和辅酶Q10的紫外光电子光谱，插图是PC₆₁BM和辅酶Q10的分子结构。
图2：PC₆₁BM和辅酶Q10电荷传输性能的表征a)PC₆₁BM和辅酶Q10在暗场下电导率测试的J-V曲线；钙钛矿/Q10、钙钛矿/PC₆₁BM和钙钛矿薄膜的稳态光致发光光谱b）和时间分辨光致发光光谱c）。
图3：钙钛矿与PC₆₁BM和辅酶Q10的差分电荷密度和布局分析a）辅酶Q10/FAPbI₃和c）PC₆₁BM/ FAPbI₃的差分电荷密度， b）辅酶Q10/ FAPbI₃和d）PC₆₁BM / FAPbI₃的布局分析。
图4：基准PC₆₁BM和辅酶Q10的倒置结构钙钛矿太阳能电池性能测试a） 基于PC₆₁BM和辅酶Q10光电转换效率最高的电池的J-V曲线；b）冠军电池的IPCE光谱和相应的积分J_SC；c）在恒定的最大功率点的偏压下测量的冠军电池的稳态光电流和输出功率；36个电池的d）J_SC、e）V_OC、f）FF和g）PCE统计图。图5：钙钛矿和电子传输层界面电荷复合以及缺陷密度的表征a）J_SC对不同光强度和b）V_OC对不同光强度的基于冠军Q10和PC₆₁BM电池的曲线；c）FTO/Perovskite/ETL/Ag的SCLC图；d）FTO/Perovskite/ETL/Ag的1 kHz下的Mott–Schottky曲线。 图6：基准PC₆₁BM和辅酶Q10电池的稳定性测试在30℃，25%的相对湿度下保存的基准PC₆₁BM和辅酶Q10电池效率随时间变化。插图a) PC₆₁BM和b）辅酶Q10涂在钙钛矿表面的接触角测试。
小结倒置结构钙钛矿太阳能电池通常使用PC₆₁BM作为电子传输材料，由于其高成本且对水氧敏感，严重限制了这类电池的工业化。研究者们利用廉价的辅酶Q10作为该类电池的电子传输材料，成功制备出了光电转换效率高达14.34%的电池，相同条件下PC₆₁BM基准的为16.30%。此外，由于辅酶Q10有长的烷基链，相应的电池器件在30℃，25%的相对湿度下保存120h还能保持83%的初始效率，而PC₆₁BM基准器件的仅有68%。这项工作证明了低成本辅酶Q10在倒置钙钛矿太阳能电池中作为非富勒烯电子传输材料替代品的巨大潜力。 

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