钙钛矿太阳能电池(PSCs)因低成本、高PCE和低温制造等优势成为光伏研究焦点。近期PCE已超26%,展现商业化潜力。倒置钙钛矿太阳能电池PSCs因成本效益高、适用于大规模印刷而受青睐。其中,电子传输材料(ETM)在电子收集、缺陷缓解和保护钙钛矿层方面至关重要。倒置钙钛矿太阳能电池PSCs中常用的ETL材料C60需要耗时昂贵的热蒸发沉积,不利于大规模生产。为解决此问题,我们设计了创新的溶液可加工ETM,将非富勒烯受体片段嫁接到C60上。BTPC60表现出优异的溶液加工性能和分子堆栈,形成高电子迁移率的均匀有序薄膜。
于2024年9月11日 Angewandte(DOI: 10.1002/anie.202412819),由香港城市大学朱宗龙等团队发表中,介绍了新型溶液可加工电子传输材料BTPC60,由C60和非富勒烯受体片段组成。BTPC60具有优异的溶液加工性和有序分子堆栈,形成高电子迁移率薄膜。应用于倒置钙钛矿太阳能电池(PSCs)时,BTPC60提高了电子提取效率并抑制非辐射复合。
基于BTPC60的钙钛矿太阳能电池PSCs实现了25.3%的功率转换效率(PCE),在85℃下1500小时老化后仍保持90%初始值。BTPC60的电子传输层(ETL)具有优异的厚度容忍度,200 nm厚度下仍维持高PCE。
表S2. 基于代表性溶液处理的逆转PSCs的器件性能
新型富勒烯衍生物BTPC60优化手法
BTPC60作为倒置钙钛矿太阳能电池PSCs的ETL,增强了电子提取效率,并有效钝化界面缺陷。在氮气环境中85°C、1500小时老化后,基于BTPC60的PSCs仍保持25.3%的高PCE和90%初始值。BTPC60 ETL还具有优异的膜厚容忍度,200nm厚度下PCE达24.8%。研究结果表明BTPC60是具前景的溶液可加工富勒烯基ETM,为提高高效稳定倒置型PSCs的可扩展性提供新方案。
然而,常用ETM材料C60需要昂贵的热蒸发加工,且易凝聚,难以大规模生产。
研究人员致力开发溶液处理富勒烯衍生物或非富勒烯受体(NFAs)作为ETMs。但即使最佳可溶解富勒烯如PC61BM,也存在光化学稳定性差和易聚集等问题,影响电子传输和器件寿命。
本研究提出创新方案,将NFA片段嫁接到C60上,设计出新型富勒烯衍生物BTPC60。此设计打破C60紧密排列,增强富勒烯和NFA相互作用,形成分子排列,改善薄膜形貌和电子传输性能。BTPC60还具有良好能级对齐和缺陷钝化效果。
以下为透过论文及补充资料所汇整出的研究手法说明:
材料合成与溶液加工技术:
开发了一种新的溶液可加工电子传输材料(ETM)其合成为具有特定结构的富勒烯衍生物称BTPC60,结合了C60和非富勒烯受体片段。通过核磁共振(NMR)、质谱(MS)等手段进行结构表征。
将非富勒烯受体片段嫁接到C60上,这种设计可以破坏C60笼子的紧密排列,改善膜的形态和电子传输性能。
o 合成过程中通过核磁共振(NMR)、质谱(MS)等手段进行结构表征。
太阳能电池制备:
使用ITO导电基板,经过清洁和UV-ozone处理。
制备钙钛矿前驱体溶液,并通过旋涂和反溶剂滴加技术制备钙钛矿薄膜。
旋涂BTPC60作为电子输运层(ETL),以及热蒸发BCP和银作为顶部电极。
研究表明,BTPC60能够形成均匀且结构有序的薄膜,这种薄膜具有高电子迁移率,对于提高太阳能电池的效率至关重要。
器件表征与性能测试:
使用XRD分析钙钛矿薄膜的晶体结构。
使用SEM和AFM观察薄膜表面形态。
使用EQE系统测量外部量子效率。
· 使用Xenon灯太阳仿真器测量J-V曲线,评估太阳能电池的光电转换效率。
正向扫描:
短路电流密度 (JSC):25.4 mA/cm2
开路电压 (VOC):1.17 V
填充因子 (FF):83.7%
功率转换效率 (PCE):24.9%
反向扫描:
短路电流密度 (JSC):25.5 mA/cm2
开路电压 (VOC):1.18 V
填充因子 (FF):84.0%
功率转换效率 (PCE):25.3%
进行热稳定性测试,评估器件在85℃下的稳定性。
研究团队使用光焱科技AM1.5G 太阳光模拟器及QE-R量子效率解决方案,上图为设备示意图。
理论计算与模拟:
使用密度泛函理论(DFT)计算BTPC60分子的几何优化、振动频率和静电势表面。
使用分子动力学(MD)模拟BTPC60薄膜的分子堆栈行为。
电学性能测量:
使用空间电荷限制电流(SCLC)测量电子迁移率和缺陷密度。
使用循环伏安法(CV)测量材料的氧化还原电位。
光学性能测量:
使用紫外-可见-近红外吸收光谱(UV-vis-NIR)测量材料的吸收特性。
使用时间分辨光致发光(TRPL)测量材料的载流子寿命。
富勒烯衍生ETM有效突破PCE>25.3%
研究团队报告了一种新颖的溶液法制备的富勒烯衍生的ETM(BTPC60),通过将Y6型NFA片段嫁接到C60笼上。NFA片段的引入引发了强大而特定的C60-NFA和NFA-NFA分子间相互作用,有效抑制了C60笼的自聚集,并促进了薄膜状态中有序堆叠,从而导致出色的溶解性、加工性和高电子迁移率。此外,当作为倒置式PSCs中的ETM时,BTPC60还表现出合适的能级、强大的钝化能力和良好的与钙钛矿的界面接触。因此,利用溶液法制备的BTPC60的器件实现了高达25.3%的PCE,并在85°C的N2环境下经过1500小时后保持了将近90%的初始效率。此外,由于其出色的溶液加工性和薄膜状态中的有序分子堆叠,基于BTPC60的器件表现出显着的厚度容忍度,甚至在厚度达到200 nm时也实现了24.8%的高效率。并有
这项研究提出了一种针对高效和稳定的倒置钙钛矿太阳能电池PSCs的溶液加工ETMs的有效分子设计策略。此外,考虑到BTPC60的相对复杂合成,迫切需要研究低成本和高效的溶液加工ETMs,进而可推动钙钛矿太阳能电池PSCs的大规模商业化。
文献参考自Angewandte Sep.11 2024_Doi:10.1002/anie.202412819
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