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AEM:引入亲水性富勒烯利用两步法制备高性能的平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池

近年来,有机无机杂化钙钛矿太阳能电池由于其高效、廉价、易制备等优点引起了科研工作者的广泛关注,并获得了飞速的发展。目前,认证的最高效率已经达到了22.1%。但是,器件的重复性、迟滞效应、复杂的加工方法(反溶剂法、溶剂处理等)和比较差的稳定性仍然是阻碍钙钛矿太阳能电池商业化的原因。

AEM:引入亲水性富勒烯利用两步法制备高性能的平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池

图1 (a)PCBB-OEG合成步骤(b)PCBM和PCBB-OEG在异丙醇中的溶解情况(c)p-i-n型平面器件结构示意图(d)钙钛矿太阳能电池的相关能级图

近日,苏州大学李永舫院士团队的李耀文副教授等人设计合成了一种如图1所示的亲水性富勒烯衍生物[6,6]-苯基-C61-丁酸-(3,4,5-三(2-(2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基)乙氧基)苯基)甲醇酯(PCBB-OEG),该富勒烯衍生物可以很好的溶解在异丙醇溶液中,他们将PCBB-OEG作为添加剂加入到第二步的前躯体MAI溶液中,并将其应用在p-i-n型平面钙钛矿太阳能电池(如图1所示)中。

AEM:引入亲水性富勒烯利用两步法制备高性能的平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池

图2 (a)未掺杂的钙钛矿薄膜SEM图(b)掺杂0.1%PCBB-OEG的钙钛矿薄膜的SEM图(c)不同掺杂比例的钙钛矿薄膜的XRD曲线图(d)掺杂1%钙钛矿薄膜的ToF-SIMS深度曲线

通过SEM和XRD,他们发现PCBB-OEG的加入,有利于钙钛矿的结晶,能够形成更加均匀致密的钙钛矿薄膜。如图2所示。不仅如此,通过ToF-SIMS深度曲线分析,他们发现,PCBB-OEG会在钙钛矿薄膜形成很好的梯度分布,并且在表面进行富集。因此,掺杂过后的钙钛矿薄膜会和电子传输层更好的接触,帮助电子修饰层进行电子抽提,进而极大的提高的器件的光电转换效率。如图3所示,添加了0.1%的PCBB-OEG的器件的能量转化效率高达20.2%,并且减小了迟滞效应。

AEM:引入亲水性富勒烯利用两步法制备高性能的平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池

图3 (a)不同器件的正反扫J-V曲线图(b)掺杂0.1%PCBB-OEG最大输出功率

不仅如此,作者还发现由于掺杂PCBB-OEG后得到的钙钛矿晶体比较致密,所以可以阻隔氧气和水对钙钛矿的破坏;并且由于PCBB-OEG还在钙钛矿表面进行富集,保护钙钛矿晶体,进一步的PCBB-OEG中的-O可以和钙钛矿中的-NH3形成比较强的氢键相互作用,如图4(c)所示,可以保护钙钛矿晶体。因为氢键的相互作用使得PCBB-OEG中的C60基团面朝外,进一步的保护钙钛矿晶体。由于多层的保护掺杂后的钙钛矿太阳能电池有着很好的空气稳定性,如图4(a)、(b)所示,掺杂后的器件在在室温,湿度为70%的环境下暴露300小时后,仍可以保持98.4%的效率。

AEM:引入亲水性富勒烯利用两步法制备高性能的平面p-i-n型钙钛矿太阳能电池

图4 (a)在湿度为70-80%下暴露300小时,不同器件的效率变化图(b)钙钛矿薄膜湿度处理的照片和接触角测试(c)MAPbI3、MAPbI3+PCBB-OEG、PCBB-OEG的NMR曲线图。

该工作由苏州大学李永舫院士团队完成,通讯作者李耀文副教授和李永舫院士,第一作者为博士生许桂英;该研究得到了国家重大研究计划集成项目(91633301)、国家自然科学基金面上项目(51673138)、江苏省优秀青年基金(BK20160059)等项目的资助和支持。

 参考文献:

Guiying Xu, Rongming Xue, Weijie Chen, Jingwen Zhang, Moyao Zhang, Haiyang Chen, Chaohua Cui, Hongkun Li, Yaowen Li,* Yongfang Li* Adv. Energy Mater.,2018,10.1002/aenm.201703054.

 

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