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石墨炔改性的铰链富勒烯作为电子传输层用于钙钛矿太阳能电池

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池效率在短时间内已经突破22%。尽管在效率方面取得了巨大的进步,但是其稳定性问题仍然是阻挡其商业化的巨大挑战。大部分高效率的钙钛矿电池采用的都是n-i-p结构,并且用TiO2作为电子传输层(ETL), spiro-OMeTAD作为空穴传输层。TiO2作为一种优秀电子传输材料,具有良好的光电性能并且具有和钙钛矿相兼容的带隙。然而,在n-i-p结构中,电子传输层不仅决定了电荷的传输特性,也决定了钙钛矿薄膜的形貌和结晶性(钙钛矿层生长在电子传输层上面)。最近,许多钙钛矿应用了双电子传输层结构,如:TiO2/PCBM、Graphene/TiO2、PEIE/Y-TiO2和SnO2/C60等,并且成功地提升了钙钛矿电池的性能,但是其环境稳定性的问题始终没有得到很好的解决。因此,发展一种耐溶剂的有机电子传输层,可同时解决电荷分离效率问题与钙钛矿薄膜稳定性问题,是提升钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的有效途径。

近日,苏州大学廖良生教授、王照奎副教授,中科院化学研究所李玉良院士(共同通讯作者),以及台湾交通大学许千树教授和上海应用物理所高兴宇研究员,在Nano Energy上发表了一篇名为“Graphdiyne-Modified Cross-Linkable Fullerene as an Efficient Electron-Transporting Layer in Organometal Halide Perovskite Solar Cells”的文章。此项工作的第一作者为苏州大学的博士生李萌。研究者报道了一种溶液法制备的基于石墨炔(Graphdiyne)改性热铰链富勒烯(PCBSD)的杂化电子传输层,放置于TiO2与钙钛矿层之中,成功地提升了器件的效率与稳定性。

本研究通过采用二维高导电石墨炔与交联富勒烯[6,6]-phenyl-C61-butyric styryl dendron ester (PCBSD)共混制备的有序排列的高效电荷传输薄膜作为TiO2与钙钛矿薄膜的修饰层,可以很好的实现器件中电子的传输,很大程度上提升了电池器件的短路电流密度,使钙钛矿层薄膜的结晶情况有了很好的改善,制备的钙钛矿太阳能电池能量转化效率可达20.19%。同时在器件的稳定性方面也有很大的提升。

石墨炔改性的铰链富勒烯作为电子传输层用于钙钛矿太阳能电池

图1. 材料分子结构与器件结构示意图。(a). PCBSD和GD的分子结构; (b). 器件结构示意图;(c). 器件截面SEM图。

石墨炔改性的铰链富勒烯作为电子传输层用于钙钛矿太阳能电池

图2. C-PCBSD:GD薄膜的表征。(a-b).FTO/C-PCBSD薄膜(a)和FTO-C-PCBSD:GD薄膜(b)的AFM图;(c). FTO/TiO2/C-PCBSD /Bphen/Ag单电子器件的双对数J-V曲线;(d). GD与C-PCBSD: GD复合薄膜的拉曼谱;(e-f). GD和C-PCBSD:GD复合薄膜的XPS谱。

石墨炔改性的铰链富勒烯作为电子传输层用于钙钛矿太阳能电池

图3. 器件的性能表征。 (a). 基于TiO2和TiO2/C-PCBSD:GD电子传输层的钙钛矿电池器件的J-V曲线;(b). 最优器件在AM 1.5G照射下与无光照条件下的J-V曲线;(c). 基于TiO2和TiO2/C-PCBSD: GD电子传输层的钙钛矿电池的入射光电子转换效率 (IPCE) 曲线,与电流密度积分曲线;(d).30个基于TiO2/C-PCBSD:GD电子传输层钙钛矿电池的性能统计分布直方图;插图为30个基于TiO2/C-PCBSD电子传输层钙钛矿电池的性能统计分布直方图;(e). 基于TiO2/C-PCBSD: GD电子传输层钙钛矿电池在0.92V和在其最大功率处的最大稳定输出光电流;(f). 器件的稳定性测试。

石墨炔改性的铰链富勒烯作为电子传输层用于钙钛矿太阳能电池

图4. 薄膜的GIXRD表征。(a-b). C-PCBSD和C-PCBSD:GD薄膜的GIXRD衍射图纹;(c). C-PCBSD和C-PCBSD: GD薄膜的GIXRD衍射的强度积分曲线;(d-e).沉积在C-PCBSD和C-PCBSD: GD薄膜上的钙钛矿薄膜的2DGIXRD衍射图纹;(f). 沉积在C-PCBSD和C-PCBSD: GD薄膜上的钙钛矿薄膜的110面径向积分强度图。

 研究者开发了一种优秀的石墨炔改性的富勒烯复合薄膜,该薄膜作为电子传输层放置于TiO2与钙钛矿层之间可以有效地增强钙钛矿电池器件的性能,将器件的效率提升至20.19%, 同时器件的稳定性也得到显著的提升。

感谢中国自然科学基金(61674109),国家重点研究计划(批准号:2016YFA0202400),江苏省自然科学基金(No.BK20170059)和上海光源BL14B1 同步辐射装置(SSRF)提供测试。 该项目由苏州纳米科技协同创新中心和江苏省高校重点学科项目开发项目资助。

参考文献

Meng Li,Zhao-Kui Wang,Tin Kang,Ying-Guo Yang,Xing-Yu Gao,Chain-Shu Hsu,Yu-Liang Li, Liang-Sheng Liao. Graphdiyne-Modified Cross-Linkable Fullerene as an Efficient Electron-Transporting Layer in Organometal Halide Perovskite Solar Cells. (Nano Energy,2017,DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.11.008)

 

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