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自组织PEDOT:PSS分子薄膜提高钙钛矿的空穴提取能力和空气稳定性

【研究背景】

钙钛矿太阳能电池经过近几年的器件结构革新, 成分优化以及界面的控制,其光电转化效率已经达到了认证的23.3%。目前常用的器件结构主要有n-i-p的介孔结构和p-i-n的平面结构两种, 后者由于其制作过程简单以及较好的低温操作性受到了广泛的关注。对于p-i-n结构,空穴传输层的性质对钙钛矿太阳能电池的器件效率和稳定性起到了非常重要的作用。PEDOT:PSS 由于其好的热稳定性、高的透光性、优异的机械弯曲性以及合适的能级结构而被广泛的应用于p-i-n型钙钛矿太阳能电池结构。目前,应用于钙钛矿太阳能电池中的PEDOT:PSS薄膜厚度一般都大于10nm,但是由于PEDOT:PSS的吸湿性和酸性本质会导致钙钛矿太阳能电池分解,同时无序排列的PEDOT和PSS也会降低空穴的提取效率,因此如何有效的控制PEDOT:PSS薄膜至关重要。

 

【成果简介】                

最近,重庆大学孙宽研究员课题组与新加坡国立大学、中国科学院重庆绿色智能技术研究院等单位合作,在 Journalof Materials Chemistry A上发表了题为“PEDOT:PSS Monolayers to Enhance Hole Extraction and Stability of Perovskite Solar Cells”的文章,博士生胡立俊同学为第一作者。研究人员通过简单的水冲洗处理获得了定向排列的PEDOT:PSS分子层薄膜,将MAPbI3-xClx钙钛矿太阳能电池性能从13.4%提高到了18%, 并且在55%的湿度下表现出了比原始PEDOT:PSS薄膜更好的稳定性。文中作者首先通过膜厚和吸光的测试表明了PEDOT:PSS分子层薄膜的存在。随后利用XPS等手段证明PSS中的S与ITO形成了In-O-S键,并结合PEDOT与PSS之间的库伦作用力,最终形成了定向排列的自组装PEDOT:PSS分子层薄膜。最后,作者通过PL、EIS、UPS等测试系统的说明了钙钛矿太阳能电池转化效率提升的原因。

自组织PEDOT:PSS分子薄膜提高钙钛矿的空穴提取能力和空气稳定性

【全文解析】

自组织PEDOT:PSS分子薄膜提高钙钛矿的空穴提取能力和空气稳定性

图1. (a)PEDOT:PSS的化学结构; (b) 钙钛矿太阳能电池结构

自组织PEDOT:PSS分子薄膜提高钙钛矿的空穴提取能力和空气稳定性

图2. (a) 制备在原始和水冲洗后的PEDOT:PSS薄膜上的具有代表性的钙钛矿太阳能电池的电压-电流曲线; (b) 基于PEDOT:PSS水处理前后所得器件的PCE/Voc/FF/Jsc的统计分布图。

自组织PEDOT:PSS分子薄膜提高钙钛矿的空穴提取能力和空气稳定性

图3. (a) 旋涂于ITO上面的PEDOT:PSS薄膜水冲洗前后的功函数; (b-c) 基于原始和水洗后PEDOT:PSS薄膜制备的钙钛矿薄膜吸光光谱和光致发光谱;(d) 器件的电化学阻抗谱

自组织PEDOT:PSS分子薄膜提高钙钛矿的空穴提取能力和空气稳定性

图4.  (a) 水洗前后PEDOT:PSS的膜厚测试; (b)ITO、原始PEDOT、水洗PEDOT的吸光光谱;(c) ITO/PEDOT:PSS /Ag结构的电压-电流曲线;(d-e)ITO、原始PEDOTP:PSS和水洗PEDOT:PSS的In3d、O1s和S2p高分辨XPS图谱

自组织PEDOT:PSS分子薄膜提高钙钛矿的空穴提取能力和空气稳定性

图5. (a-c)ITO、原始PEDOT:PSS和水洗PEDOT:PSS的静态水接触角;(d)基于PEDOT:PSS水洗前后器件的PCE随时间变化的图像。

 

【总结与展望】

研究人员通过对PEDOT:PSS薄膜进行水冲洗获得了定向排列的PEDOT:PSS分子层薄膜并研究了其形成机理。这种PEDOT:PSS分子层薄膜具有较高的功函数,并且能提高吸光层广生空穴的提取和传输效率,从而大幅的提高了钙钛矿太阳能电池的转换效率。此外,由于亲水的PSS和ITO的键合使PEDOT更易于暴露于空气,从而使得水洗的PEDOT:PSS具有较强的疏水性进而提高了器件的稳定性。这种简便但可以显著提高器件性能的方法相信同样可以适用于其他的光电器件,比如:有机太阳能电池、发光二极管,激光器等。

 

Lijun Hu, Meng Li, Ke Yang, Zhuang Xiong, Bo Yang, Ming Wang, Xiaosheng Tang, Zhigang Zang, Xixia Liu, Bichen Li, Zeyun Xiao, Shirong Lu, HaoGong, Jianyong Ouyang and Kuan Sun, PEDOT:PSS Monolayers to Enhance Hole Extraction and Stability of Perovskite Solar Cells, J. Mater. Chem. A, 2018, DOI:10.1039/C8TA05234D

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