引言

雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSC）由于其優(yōu)越的光電性能受到了越來(lái)越多的科研工作者的關(guān)注。有機(jī)小分子材料Spiro-OD由于其理想的特性（例如合適的最高占據(jù)分子軌道能級(jí)，高溶解度和良好的成膜性）而被廣泛用作鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的空穴傳輸材料。為了進(jìn)一步改善基于Spiro-OD的空穴傳輸層（HTL）的性能，鋰鹽（Li-TFSI）常作為添加劑以提高其導(dǎo)電性。極易團(tuán)聚和吸水性導(dǎo)致空穴傳輸層中薄膜出現(xiàn)孔洞等問(wèn)題，這嚴(yán)重限制了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率的進(jìn)一步提高。

成果簡(jiǎn)介

近日，電子科技大學(xué)劉明偵教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種低成本且易于實(shí)現(xiàn)的高效率鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的方法。對(duì)基于Spiro-OD的空穴傳輸層通過(guò)使用少量的PbI2作為添加劑來(lái)抑制空穴傳輸層薄膜中的孔洞，從而進(jìn)一步提高器件的光電性能。作者利用掃描電子顯微鏡（SEM），透射電子顯微鏡（TEM）以及原子力顯微鏡（AFM）發(fā)現(xiàn)加入PbI2的空穴傳輸層的薄膜形貌相比于對(duì)照組有明顯的改善。進(jìn)一步利用DFT計(jì)算發(fā)現(xiàn)，空穴傳輸層中的添加物PbI2和TBP由于分子間的相互作用可以形成絡(luò)合物。這種絡(luò)合物能夠有效阻礙Li-TFSI的團(tuán)聚和傳輸層孔洞的的產(chǎn)生。作者又進(jìn)一步分析了PbI2的摻入對(duì)器件光電性能的影響?？臻g電荷限制電流法（SCLC），電化學(xué)阻抗譜（EIS），熒光光譜（PL）等測(cè)試結(jié)果顯示，PbI2可以提高空穴傳輸層中的空穴遷移率，降低鈣鈦礦和空穴傳輸層界面的電荷復(fù)合速率并提高電荷抽取速率。因此，修飾后的空穴傳輸層載流子遷移率和電荷載流子提取效率顯著提高，最終通過(guò)優(yōu)化后的太陽(yáng)能電池器件，可以獲得超過(guò)20％的光電轉(zhuǎn)換效率。這項(xiàng)工作為提高HTL材料和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能提供了一種簡(jiǎn)單有效的方法。

相關(guān)的研究成果以題為“Inhibited aggregation of lithium salt in spiro-OD toward highly efficient perovskite solar cells”發(fā)表在Elsevier出版社旗下Nano Energy雜志上。電子科技大學(xué)材料與能源學(xué)院為論文第一單位，劉洋和胡逾超博士為共同第一作者，劉明偵教授為通訊作者。

圖文簡(jiǎn)介

Figure 1. 材料及器件制備示意圖及器件形貌表征

（a）PbI2和TBP前驅(qū)體溶液制備示意圖；

（b）器件的制備過(guò)程示意圖；

（c-f）SEM形貌圖；

（g）PbI2對(duì)鋰鹽團(tuán)聚影響的原理示意圖。

Figure 2. 摻入PbI2對(duì)空穴傳輸層形貌的表征分析

摻雜PbI2前后的空穴傳輸層的形貌表征。

（a）（c）TEM圖像；

（b）（d）EDX元素分析；

（e）（f）AFM圖像；

（g）（h）AFM圖像的三維結(jié)構(gòu)。

Figure 3. PbI2與TBP形成的絡(luò)合物的表征分析

（a）紫外燈下的光學(xué)照片；

（b）TBP，PbI2，TBP+ PbI2的XRD譜；

（c）DFT計(jì)算的形成不同絡(luò)合物的相應(yīng)的吉布斯自由能；

（d）稀釋后液態(tài)UV-vis譜；

（e）絡(luò)合物配位的球棍模型示意圖。

Figure 4. 摻入PbI2后對(duì)器件電學(xué)性能的影響

（a-c）空穴傳輸層摻雜前后電化學(xué)阻抗譜測(cè)試；

（d）紫外光電子能譜；

（e）穩(wěn)態(tài)熒光發(fā)射譜；

（f）時(shí)間分辨熒光光譜。

Figure 5. 太陽(yáng)能電池的光伏性能測(cè)試

（a）不同PbI2摻雜量的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件效率分布統(tǒng)計(jì)圖;

（b）修飾前后最佳器件的J-V曲線；

（c）最高效率器件在最大功率點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)輸；

（d）最佳器件的光響應(yīng)測(cè)試。

小結(jié)

綜上所述，作者深入透徹地分析了PbI2作為添加物對(duì)空穴傳輸層形貌和載流子行為的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)抑制Li-TFSI的聚集，修飾后HTL的形貌有了明顯的提升，同時(shí)極大地提高了載流子遷移率和電荷載流子抽取效率，獲得了超過(guò)20%的光電轉(zhuǎn)換效率。而且修飾后的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件表現(xiàn)出快速的瞬態(tài)響應(yīng)（<1s）以達(dá)到穩(wěn)態(tài)，這一結(jié)果在很大程度上超過(guò)無(wú)PbI2添加物的器件。這一工作提供了一種新策略來(lái)制備無(wú)空洞的HTL，以增強(qiáng)電荷載流子的傳輸，將有助于PSC性能的進(jìn)一步提高。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104483

Inhibited aggregation of lithium salt in spiro-OD toward highly efficient perovskite solar cells (Nano Energy, 2019, accepted)

團(tuán)隊(duì)主頁(yè)鏈接：

http://optoelectronics.uestc.edu.cn/