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發(fā)布時間：2019-12-17 來源：元祿光電
近年來，鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）發(fā)展迅速，其最高光電轉(zhuǎn)換效率已超過24%，顯示出良好的應(yīng)用前景。空穴傳輸材料（HTMs）作為高效鈣鈦礦太陽能電池器件的重要組成部分，在提高電池效率和穩(wěn)定性方面具有重要意義。因此，空穴傳輸材料的設(shè)計和開發(fā)一直是鈣鈦礦電池研究的重點之一，也取得了很大進展。但是，目前被廣泛用來制備高效PSCs的空穴材料種類依然很有限，主要集中在以具有剛性核骨架的Spiro-OMeTAD和具有良好平面共軛結(jié)構(gòu)的有機聚合物PTAA和PEDOT：PSS。
但兩類結(jié)構(gòu)的空穴傳輸材料仍具有較大的局限性，如：Spiro-OMeTAD由于其剛性核結(jié)構(gòu)，使得分子中三苯胺結(jié)構(gòu)很難實現(xiàn)好的分子間π-π堆積，導(dǎo)致其遷移率低。為了提高遷移率，不得不摻雜大量離子型添加劑如鋰鹽和吡啶類化合物，這又導(dǎo)致器件穩(wěn)定性下降；PEDOT:PSS 的HOMO能級與鈣鈦礦層匹配性不好，使得器件Voc 較低（通常在0.84-0.97 V），而且其本身易吸潮和對電極的腐蝕作用，也導(dǎo)致器件穩(wěn)定性下降；相比Spiro-OMeTAD和PEDOT：PSS，基于摻雜PTAA 的電池器件具有較好的穩(wěn)定性和高效率，但其高疏水性使其與鈣鈦礦層界面浸潤性很差，給鈣鈦礦活性層制備帶來很大困難，且其價格高昂（是黃金價格的30倍），限制了它的廣泛應(yīng)用。因此，發(fā)展高效的空穴傳輸材料仍然是鈣鈦礦太陽能電池的主要挑戰(zhàn)之一。
南京工業(yè)大學李公強教授綜合前人設(shè)計空穴傳輸材料的經(jīng)驗，結(jié)合分子結(jié)構(gòu)單元間旋轉(zhuǎn)可調(diào)能夠影響分子構(gòu)象空間分布的情況，利用構(gòu)象可調(diào)的柔性核骨架（FCTC）設(shè)計策略，發(fā)展了一類高效非摻雜的馬鞍型空穴傳輸材料，聯(lián)合南方科技大學Aung Ko Ko Kyaw 教授和南京大學馬海波教授，實現(xiàn)了高效穩(wěn)定正置介孔結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池器件制備。
圖 1 (a) DMZ 分子結(jié)構(gòu)；(b) 器件結(jié)構(gòu)；(c) 在 AM 1.5G 的光照下，基于PEDOT:PSS 和非摻雜DMZ HTM 最佳器件的J-V 曲線 ；(d) 基于不同DMZ HTL 厚度的器件效率；(e) 器件的FF 和 Voc 隨 DMZ HTL 從 6 mg/mL-0.5 mg/ml的變化；(f) 基于PEDOT:PSS 和DMZ HTM 的器件在RH= 45-50% 的空氣中穩(wěn)定性。
最近，他們又將這一理念應(yīng)用到基于三苯胺邊臂和雙芴核骨架的新型空穴傳輸材料設(shè)計中，合成了一類新型有機HTMs(DMZ)，將其應(yīng)用于反式平面結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池中。結(jié)果表明，基于非摻雜DMZ 的電池器件可獲得最高18.61％的PCE（Jsc = 22.62 mA /cm2， Voc = 1.02 V和FF = 81.05％），與基于PEDOT:PSS 的相應(yīng)器件相比，其PCE提高了50%，且?guī)缀鯖]有遲滯現(xiàn)象。此外，基于DMZ的電池器件在50%濕度的空氣中放置556 小時后，其PCE仍保持初始 90%，顯示了更好的穩(wěn)定性。
通過系統(tǒng)研究空穴傳輸層薄膜厚度對鈣鈦礦形貌和器件性能的影響，發(fā)現(xiàn)：隨著空穴層的厚度從 3.5 nm 上升至 30 nm （相應(yīng)DMZ 溶液濃度為 0.5 m/ml 到 6.0 mg/ml），空穴傳輸層的表面接觸角也從 21.1 o 上升為84.0 o，直接影響了鈣鈦礦層的薄膜晶粒尺寸和結(jié)晶程度，使得鈣鈦礦層缺陷態(tài)密度也有較大變化，進而影響了器件的 Voc 和 FF；其中FF 從81.38% (最高為82.57%) 降至68.22%， 而Voc 則從0.99 V 上升至 1.03 V；當空穴傳輸層厚度為~13nm時 (濃度為 2 mg/ml )，器件的性能最佳，PCE高達18.61%。
綜上所述，空穴傳輸層的薄膜厚度不僅影響到空穴傳輸層自身的傳輸性能和與鈣鈦礦層的浸潤性，還能通過調(diào)控其厚度，實現(xiàn)對鈣鈦礦層形貌和結(jié)晶性的調(diào)控，進而提高鈣鈦礦太陽能電池器件光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，對未來發(fā)展更加高效的空穴材料以及優(yōu)化鈣鈦礦電池器件具有重要參考價值。
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