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填充因子超83%!杨世河教授课题组的钙钛矿太阳能电池是这样调控的

设计合成了一种可以通过溶液旋涂的方法制备的界面修饰层PPDIN6,将其修饰在PCBM/Ag界面之间,构筑的FTO/NiO/Perovskite/PCBM/PPDIN6/Ag结构的钙钛矿太阳能电池填充因子达到83%以上,器件效率达到20%以上。

前言:

    今天非常荣幸邀请到香港科技大学和北京大学深圳研究生院的杨世河教授课题组对他们最近发表的Nano Energy论文进行解读,感谢杨世河老师课题组的无私分享!

填充因子超83%!杨世河教授课题组的钙钛矿太阳能电池是这样调控的

第一作者:孟祥悦

通讯作者:杨世河教授

合作单位:香港科技大学,北京大学深圳研究生院,香港浸会大学

1. 研究背景

    钙钛矿太阳能电池由于高效、低成本成为近年来的研究热点。我们课题组重点关注基于NiO的平面p-i-n结构的钙钛矿太阳能电池,其结构为FTO/NiO/Perovskite/PCBM/Ag。平面p-i-n结构的钙钛矿太阳能电池没有迟滞、稳定性好,受到了研究人员的广泛关注。但通常PCBM/Ag之间需要加入界面修饰层,常用的BCP需要通过蒸镀的方法得到均匀致密的薄膜,旋涂的方法采用的溶剂为甲醇,甲醇会破坏钙钛矿,旋涂过程较难控制。为此我们设计合成了一种可以通过溶液旋涂的方法制备的界面修饰层PPDIN6,将其修饰在PCBM/Ag界面之间,构筑的FTO/NiO/Perovskite/PCBM/PPDIN6/Ag结构的钙钛矿太阳能电池填充因子达到83%以上,器件效率达到20%以上。

2. 结果与讨论

PPDIN6的分子结构如图1a所示,分子设计方面有几点考虑:(1PDI是一类重要的n型半导体材料,具有合适的能级和较好的电子传输性质;(2)较长的烷基链可以提高材料的溶解性;(3)烷基链上的N可以与Ag电极相互作用,降低界面缺陷态密度,改善电子传输,提高器件的填充因子和效率;(4N可以与碘离子形成季铵盐,阻挡碘离子的迁移,防止生成Ag-I,可以保护银电极进而提高器件的稳定性;(5)高分子具有好的成膜性质,易于得到均匀致密的薄膜。

特别提到的是,我们采用三氟乙醇来溶解PPDIN6PPDIN6不溶于异丙醇,微溶于甲醇,但甲醇会破坏钙钛矿,如图1b所示。三氟乙醇是一种较好的溶解界面修饰层的溶剂,首先三氟乙醇的分子体积比较大,不会破坏钙钛矿,其次三氟乙醇中的三氟甲基具有较强的吸电子能力,使得分子的极性较大,可以提高其对PPDIN6等界面修饰材料的溶解性。可以尝试将其用于溶解BCPbis-C60等界面材料,可能会有更好的效果。

填充因子超83%!杨世河教授课题组的钙钛矿太阳能电池是这样调控的

aPPDIN6分子结构;(b)不同溶剂对钙钛矿的破坏程度;(c)钙钛矿太阳能电池器件结构;(d)有和没有PPDIN6界面修饰时的器件性能;(ePPDIN6界面修饰的器件正反扫光伏性能。

我们构筑了FTO/NiO/Perovskite/PCBM/PPDIN6/Ag结构的钙钛矿太阳能电池,没有PPDIN6界面修饰时的器件效率最高只有17.38%,通过PPDIN6界面修饰后,器件效率最高可以达到20%以上,填充因子达到83%以上。而且PPDIN6界面修饰的器件正反扫光伏性能差别不大。

    我们通过变温导纳谱测试了器件的缺陷态密度,如图2所示,通过PPDIN6界面修饰后的器件缺陷态能级和缺陷态密度都降低了,说明PPDIN6界面修饰可以填充缺陷态,降低器件的缺陷态密度,进而提高填充因子和器件效率。我们还构筑了electron only device,测试了暗态下的J-V曲线,也可以得到缺陷态密度。发现PPDIN6修饰后的缺陷态密度降低了,进一步验证了PPDIN6可以降低器件缺陷态密度。同时PPDIN6界面修饰后的器件稳定性也得到了提高,这里就不详细介绍。

填充因子超83%!杨世河教授课题组的钙钛矿太阳能电池是这样调控的

变温导纳谱测试结果(a,c, e) 没有修饰(b, d, f) PPDIN6界面修饰

3. 结论

    我们设计合成了一种可以通过溶液旋涂的方法制备的界面修饰层PPDIN6,将其修饰在PCBM/Ag界面之间,构筑的FTO/NiO/Perovskite/PCBM/PPDIN6/Ag结构的钙钛矿太阳能电池填充因子达到83%以上,器件效率达到20%以上。为设计制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池提供了思路。

(合作单位:香港浸会大学蘇樹江课题组)

4. 参考文献

X. Meng, C.H.Y. Ho, S. Xiao, Y. Bai, T. Zhang, C. Hu, H. Lin, Y. Yang, S. K. So, S. Yang, Molecular Design Enabled Reduction of Interface Trap Density Affords Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells with Over 83% Fill Factor. Nano Energy, (2018) DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.07.063

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