蘇州大學(xué)馬萬(wàn)里團(tuán)隊(duì)：共軛聚合物助力鈣鈦礦電池效率及穩(wěn)定性

引言

溶液法制備基于有機(jī)-無(wú)機(jī)鹵素鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能電池近幾年來在世界范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注。在過去七年中，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率由最初的3%一路上升到目前的22%。雖然鈣鈦礦太陽(yáng)能電池已取得如此大的進(jìn)展，但在其商業(yè)化的道路上仍然有幾個(gè)亟待解決的嚴(yán)峻問題，包括形貌控制，低結(jié)晶度和難以重復(fù)等等，而其中因鈣鈦礦材料易遇水分解帶來的穩(wěn)定性問題表現(xiàn)的尤為迫切。

成果簡(jiǎn)介

近日，蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院的馬萬(wàn)里教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Functional Materials上在線發(fā)表了題為A Universal Strategy to Utilize Polymeric Semiconductor for Perovskite Solar Cells with Enhanced Efficiency and Longevity的論文。他們分別利用P型和N型兩類共軛聚合物材料 (PF-0, N2200)，并對(duì)分子主鏈進(jìn)行氫-氟(H-F)原子取代，得到兩組聚合物材料。將共軛聚合物通過反溶劑萃取途徑應(yīng)用于旋涂制備的MAPbI3鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能電池中。在不影響鈣鈦礦結(jié)晶度的情況下，對(duì)鈣鈦礦薄膜進(jìn)行了有效的鈍化，相比于標(biāo)準(zhǔn)器件最高17.7%的光電轉(zhuǎn)換效率，引入聚合物鈍化的器件最高效率能達(dá)到18.7%。更重要的是，共軛聚合物和有機(jī)-無(wú)機(jī)鈣鈦礦材料在表面能上的巨大差異，加上良好的的成膜性能，使得共軛聚合物能在鈣鈦礦表面形成連續(xù)的一層疏水保護(hù)層。特別是引入F原子之后，增加了聚合物材料的疏水性，使得鈣鈦礦薄膜表面變得更加疏水，可以實(shí)現(xiàn)有效的隔絕水氧的作用，對(duì)水汽敏感的鈣鈦礦層起到良好的保護(hù)作用。放置在室溫條件下，相對(duì)濕度30%，30天內(nèi)的效率能保持在90%以上。在持續(xù)光照條件下相比于無(wú)聚合物處理的電池器件穩(wěn)定性也顯著提升?？紤]到共軛聚合物是一種低毒的光電材料，其分子結(jié)構(gòu)和電學(xué)能級(jí)可以靈活調(diào)節(jié)，因此找到更適宜的聚合物材料將會(huì)對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。

圖文導(dǎo)讀

圖1a)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖，b) 含氟及不含氟的P型及N型共軛聚合物分子結(jié)構(gòu)式， c)聚合物輔助的反溶劑萃取法制備鈣鈦礦薄膜流程圖

圖2含氟及不含氟的P型及N型共軛聚合物修飾鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能電池器件最優(yōu)I-V曲線(插圖為20個(gè)器件效率統(tǒng)計(jì)分布)

圖3共軛聚合物修飾鈣鈦礦薄膜及對(duì)照組PDS測(cè)試圖

圖4無(wú)修飾及共軛聚合物修飾后的鈣鈦礦薄膜SEM形貌圖及晶粒大小統(tǒng)計(jì)

圖5 二維GIWAXS 測(cè)試圖，a) 純 MAPbI3, b) MAPbI3+N2200，c) MAPbI3+F-N2200，d) MAPbI3+PF-0，e) MAPbI3+PF-1，f) 一維(110)衍射峰，g) (110)衍射峰的弧度積分統(tǒng)計(jì)圖

圖6含氟及不含氟的P型及N型共軛聚合物修飾鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)態(tài)熒光測(cè)試及瞬態(tài)熒光壽命測(cè)試圖

圖7含氟及不含氟的P型及N型共軛聚合物修飾鈣鈦礦薄膜的接觸角測(cè)試圖

圖8含氟及不含氟的P型及N型共軛聚合物修飾太陽(yáng)能電池器件在空氣中的暗態(tài)及光照條件保存下效率變化趨勢(shì)