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摘要
韩国蔚山科学技术院 (UNIST) 的 Sang Kyu Kwak 教授和 Changduk Yang 教授团队在 Science 期刊发表最新研究成果，开发出两种氟化 Spiro-OMeTAD 异构体 (Spiro-mF 和 Spiro-oF) 作为空穴传输材料 (HTM)，用于制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池 (PSCs)。基于 Spiro-mF 的器件实现了 24.82% 的高效率 (认证效率 24.64%)，电压损失仅为 0.3 V，并在高湿度环境下展现出优异的长期稳定性。
本研究使用设备
光焱科技
REPS钙钛矿与有机光伏Voc损耗分析系统
研究背景
近年来，钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 因其高效率、低成本等优势，成为光伏领域的研究热点。PSCs 的效率不断攀升，认证效率已超过 25%。然而，PSCs 的长期稳定性仍然是制约其商业化应用的关键瓶颈。
目前应用广泛的 PSCs 空穴传输材料 (HTM) 是 Spiro-OMeTAD。Spiro-OMeTAD 需要掺杂才能实现高效的空穴提取和足够的电导率，但常用的掺杂剂具有吸湿性，会影响器件的稳定性。因此，开发新型 HTM 材料，特别是具有高效率和良好稳定性的无掺杂 HTM，对于推动 PSCs 的商业化应用至关重要。
研究方法
该研究采用分子设计策略，通过氟化 Spiro-OMeTAD 合成了两种新型 HTM 材料：Spiro-mF 和 Spiro-oF。研究人员利用核磁共振光谱 (NMR)、差示扫描量热法 (DSC)、紫外-可见吸收光谱、循环伏安法 (CV)、密度泛函理论 (DFT) 计算等手段对 Spiro-mF 和 Spiro-oF 的分子结构、光电性质和能级结构进行了表征。
随后，研究人员制备了基于 Spiro-OMeTAD、Spiro-mF 和 Spiro-oF 的 PSCs，并利用太阳光模拟器、量子效率测试系统、稳态/时间分辨光致发光光谱仪、电化学阻抗谱仪等设备对器件的性能进行了测试。此外，研究人员还利用分子动力学 (MD) 模拟研究了 Spiro-mF 和 Spiro-oF 在钙钛矿表面的吸附行为。
研究结果与讨论
研究结果表明，氟化可以降低 Spiro-OMeTAD 的 HOMO 和 LUMO 能级，并拓宽其光学带隙，有利于提高器件的开路电压 (Voc) 和短路电流密度 (Jsc)。此外，氟化还能增强 HTM 的疏水性，提高器件的耐湿性。
基于 Spiro-mF 的 PSCs 实现了 24.82% 的高效率 (认证效率 24.64%)，电压损失仅为 0.3 V，是目前报道的 PSCs 中低的电压损失。这表明 Spiro-mF 能够有效地提取空穴并抑制非辐射复合。
此外，Spiro-mF 基器件还展现出优异的稳定性。在 50% 相对湿度环境下，未封装的 Spiro-mF 基器件在 500 小时后仍能保持 87% 的初始效率，而 Spiro-OMeTAD 基器件的效率则下降到 60%。
分子动力学模拟结果表明，Spiro-mF 比 Spiro-oF 和 Spiro-OMeTAD 更容易吸附在钙钛矿表面，并且其芴单元更容易与钙钛矿表面接触。Spiro-mF 在钙钛矿表面形成层状堆积结构，空穴传输积分更高，更有利于空穴传输。
结论与展望
该研究开发的氟化 Spiro-OMeTAD 异构体为制备高效稳定的 PSCs 提供了一种 promising 的策略。Spiro-mF 基器件展现出优异的效率和稳定性，并具有较低的电压损失，为 PSCs 的产业化应用提供了新的思路。
未来，可以通过进一步优化材料设计和器件结构，例如：
探索其他氟化位点和氟原子数量对 HTM 性能的影响。
开发新型无掺杂 HTM 材料，进一步提高器件稳定性。
优化钙钛矿/HTM 界面，提高电荷提取效率和抑制界面复合。
相信随着研究的深入，PSCs 的性能将会进一步提升，其商业化应用前景也将更加光明。
本文參數圖:
原文出处: SCIENCE 25 Sep 2020 DOI: 10.1126/science.abb7167
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