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苏州大学马万里团队Adv. Funct. Mater.:共轭聚合物助力钙钛矿电池效率及稳定性

2018-03-27 09:01
来源: 材料牛

引言

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。

成果简介

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在Advanced Functional Materials上在线发表了题为A Universal Strategy to Utilize Polymeric Semiconductor for Perovskite Solar Cells with Enhanced Efficiency and Longevity的论文。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,加上良好的的成膜性能,使得共轭聚合物能在钙钛矿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天内的效率能保持在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。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。

图文导读

图1 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

图2 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)

图3 共轭聚合物修饰钙钛矿薄膜及对照组PDS测试图

图4 无修饰及共轭聚合物修饰后的钙钛矿薄膜SEM形貌图及晶粒大小统计

图5 二维GIWAXS 测试图,a) 纯 MAPbI3, b) MAPbI3+N2200,c) MAPbI3+F-N2200,d) MAPbI3+PF-0,e) MAPbI3+PF-1,f) 一维(110)衍射峰,g) (110)衍射峰的弧度积分统计图

图6 含氟及不含氟的P型及N型共轭聚合物修饰钙钛矿薄膜的稳态荧光测试及瞬态荧光寿命测试图

图7 含氟及不含氟的P型及N型共轭聚合物修饰钙钛矿薄膜的接触角测试图

图8 含氟及不含氟的P型及N型共轭聚合物修饰太阳能电池器件在空气中的暗态及光照条件保存下效率变化趋势

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