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北大深研院孟鴻團(tuán)隊(duì)Nano Energy：降低反向鈣鈦礦太陽(yáng)電池界面損失的新材料

2017-11-16 14:21:27 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：材料人分享至：

【引言】

金屬/有機(jī)界面處的界面損失是有機(jī)電子器件中的關(guān)鍵問題，在提高器件性能方面，界面層起著重要作用，并且界面材料的設(shè)計(jì)是優(yōu)化器件性能面臨的持續(xù)挑戰(zhàn)。最近的研究中通過在有機(jī)電子傳輸層和金屬電極之間加入陰極界面修飾層，不失為一種有效減少界面損失的方法。然而這些器件的制造需要昂貴的高真空薄膜沉積工藝或復(fù)雜的材料，阻礙了界面層在印制大面積器件中的應(yīng)用和發(fā)展。

【成果簡(jiǎn)介】

最近，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院孟鴻教授課題組通過季銨化反應(yīng)高產(chǎn)率地合成了分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的1，10-菲咯啉衍生物Phen-I，其具有雙重功能性，在提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSC）的功率轉(zhuǎn)換效率方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。該研究發(fā)表于Nano Energy，題為“Reduced Interface Losses in Inverted Perovskite Solar Cells by Using a Simple Dual-Functional Phenanthroline Derivative”，文章第一作者為胡釗博士。研究發(fā)現(xiàn)Phen-I作為界面修飾層可以有效降低金屬電極功函，而且Phen-I又可作為n型摻雜劑提高電子傳輸材料導(dǎo)電性。研究人員通過一系列的測(cè)試手段對(duì)其中的機(jī)理進(jìn)行了深入探究。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. Uv-vis光譜和CV曲線

a）Phen-I在溶液和薄膜中的Uv-vis光譜。b）Phen-I的循環(huán)伏安曲線。

圖2. 器件結(jié)構(gòu)及部分性能測(cè)試

a）以Phen-I作CIL的反向PSCs器件結(jié)構(gòu)。

b）在100mW / cm2 Am 1.5G照射下測(cè)量的PCBM/Ag和PCBM/Phen-I/Ag器件J-V曲線。

c）對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能電池的EQE光譜。

d）Phen-I為CIL的器件的滯回檢測(cè)。

圖3. 反向PSC器件性能表征

a）在100 mW / cm2的AM 1.5G照射下測(cè)量，穩(wěn)定的輸出功率效率和在所研究的反向PSC的最大功率點(diǎn)附近偏置的光電流密度。b）在100 mW / cm2 Am 1.5G照射下不同掃描速度下的反向PSC器件的J-V曲線。c）含有Phen-I層的30個(gè)器件的PCE直方圖。

圖4. KPFM測(cè)量的表面電位圖

a）純Ag電極 b）Ag / Phen-I。c）表面電位圖中典型的VCPD直方圖。 d）器件的能級(jí)圖。

圖5. PCBM摻雜Phen-I器件結(jié)構(gòu)及表征

a）固態(tài)PC61BM / Phen-I共混物的ESP譜圖。

b）以Phen-I:PC61BM作為ETL的反向PSC的器件結(jié)構(gòu)。

c）純PC61BM或Phen-I:PC61BM ETL的反向PSC器件在100 mW / cm2 Am 1.5G照射下測(cè)量的J-V曲線。

圖6. c-AFM圖

a）c-AFM測(cè)量的示意圖，

b）c-AFM測(cè)量的純PC61BM和Phen-I:PC61BM的I-V曲線。

c）、d）、e）、f）分別是純PCBM, Phen-I:PC61BM為2％、5％、10％的c-AFM圖像。

圖7. 器件表征及測(cè)試

a）純鈣鈦礦薄，鈣鈦礦/純PCBM以及鈣鈦礦/PCBM摻雜Phen-I的穩(wěn)態(tài)PL光譜

b）放大后的鈣鈦礦/純PCBM、以及鈣鈦礦/PCBM摻雜Phen-I的穩(wěn)態(tài)PL光譜

c）器件穩(wěn)定性測(cè)試。

圖8. 基于FA3MA0.7PbI2.7Cl0.3器件采用Phen-I修飾前和修飾后的器件性能

a）在模擬AM 1.5太陽(yáng)輻照下性能最好的FA0.3MA0.7PbI2.7Cl0.3器件的J-V曲線。

b）相應(yīng)太陽(yáng)能電池的EQE光譜。

【小結(jié)】

該項(xiàng)研究合成了一個(gè)簡(jiǎn)單的Phen衍生物Phen-I，且通過將Phen-I作為金屬電極和ETL之間的界面修飾層，使得反向PSC在PCEs上從10.70％明顯增強(qiáng)到18.13％。當(dāng)基于FA0.3MA0.7PbI2.7Cl0.3鈣鈦礦體系時(shí)得到最佳的PCE為19.27％。研究提出，Phen-I作為新的雙功能界面修飾材料可以有效減少PSC的界面損失。其分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，合成成本低，因而也是大面積印刷高效有機(jī)電子元件的理想選擇，該簡(jiǎn)單衍生物的設(shè)計(jì)概念可以拓展到其他新的高效界面材料中。

文獻(xiàn)鏈接： Reduced Interface Losses in Inverted Perovskite Solar Cells by Using a Simple Dual-Functional Phenanthroline Derivative （Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.11.014）

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責(zé)任編輯：楊揚(yáng)

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