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共轭聚合物助力钙钛矿太阳能电池效率及稳定性

溶液法制备基于有机-无机卤素钙钛矿薄膜太阳能电池近几年来在世界范围内引起广泛关注。在过去七年中,钙钛矿太阳能电池的光电转化效率由最初的3%一路上升到目前的22%。虽然钙钛矿太阳能电池已取得如此大的进展,但在其商业化的道路上仍然有几个亟待解决的严峻问题,包括形貌控制,低结晶度和难以重复等等,而其中因钙钛矿材料易遇水分解带来的稳定性问题表现的尤为迫切

近日,苏州大学功能纳米与软物质研究院的马万里教授团队报道了一种利用功能型共轭聚合物提升钙钛矿薄膜太阳能电池效率和稳定性的研究论文。他们分别利用P型和N型两类共轭聚合物材料 (PF-0, N2200),并对分子主链进行氢-氟(H-F)原子取代,得到两组聚合物材料。将共轭聚合物通过反溶剂萃取途径应用于旋涂制备的MAPbI3钙钛矿薄膜太阳能电池中。在不影响钙钛矿结晶度的情况下,对钙钛矿薄膜进行了有效的钝化,相比于标准器件最高17.7%的光电转换效率,引入聚合物钝化的器件最高效率能达到18.7%。更重要的还是,共轭聚合物和有机-无机钙钛矿材料在表面能上的巨大差异,加上良好的成膜性能,因此共轭聚合物能在钙钛矿薄膜表面形成连续的一层疏水保护层,特别是引入F原子之后,增加了聚合物材料的疏水性,使得钙钛矿薄膜表面变得更加疏水,可以实现有效的隔绝水氧的作用,对水汽敏感的钙钛矿层起到良好的保护作用。放置在室温条件下,相对湿度30%, 30天内的效率保持在能保持90%以上。在持续光照条件下相比于无聚合物处理的电池器件稳定性也显著提升。该文章发表在国际知名期刊Adv. Funct. Mater.上,博士研究生李方超为论文的第一作者,马万里教授和袁建宇副研究员为论文的共同通讯作者。

共轭聚合物助力钙钛矿电池效率及稳定性

图1. 共轭聚合物提升钙钛矿薄膜稳定性的示意图

作者通过在反溶剂氯苯中溶解微量的共轭聚合物(0.4 mg/mL),这种制备工艺并不会增强钙钛矿电池的制备步骤,与所有体系的钙钛矿薄膜材料制备工艺相兼容,是一种具有普适性的器件改性工艺考虑到共轭聚合物是一种低毒的光电材料,其分子结构和电学能级可以灵活调节,因此找到更适宜的聚合物材料将会对钙钛矿太阳能电池的发展起到重要的推动作用。

共轭聚合物助力钙钛矿电池效率及稳定性

图2 a)钙钛矿太阳能电池结构示意图,b) 含氟及不含氟的P型及N型共轭聚合物分子结构式, c)聚合物辅助的反溶剂萃取法制备钙钛矿薄膜流程图

作者同时材料光热偏转光谱(Photothermal Deflection Spectroscopy, PDS)分别对纯钙钛矿薄膜以及聚合物处理的钙钛矿薄膜能带进行测试,测试结果表明聚合物的加入并不会改变钙钛矿材料的能带结果,微量的聚合物对钙钛矿薄膜没有带来掺杂的影响

共轭聚合物助力钙钛矿电池效率及稳定性

图3. 钙钛矿薄膜的光热偏转光谱测试图

作者系统研究了聚合物的处理对器件性能的影响,惊喜的发现无论是P型聚合物还是N型聚合物对电池的光电转换效率均有促进作用,其中含有F原子的聚合物的提升作用更加明显。一定程度上说明了此种方法具有一定的普适性。

共轭聚合物助力钙钛矿电池效率及稳定性

图4 含氟及不含氟的P型及N型共轭聚合物修饰钙钛矿薄膜太阳能电池器件最优I-V曲线(插图为20个器件效率统计分布)

 该工作报道了利用传统共轭聚合物助力新型钙钛矿薄膜太阳能电池的新思路。转换效率和稳定性一直是制约钙钛矿电池商业化进程的难题之一,利用传统有机半导体材料进行取长补短,实现有机半导体材料和钙钛矿材料的协同作用为钙钛矿电池的研究提供了新的方向,也拓宽了有机共轭半导体材料的应用领域

Fangchao Li, Jianyu Yuan, Xufeng Ling, Yannan Zhuang, Yingguo Yang, Sin Hang Cheung, Carr Hoi Yi Ho, Xingyu Gao, Wanli Ma, A Universal Strategy to Utilize Polymeric Semiconductor for Perovskite Solar Cells with Enhanced Efficiency and Longevity, Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201706377

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