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东京大学JACS:锂离子内嵌富勒烯构筑无金属电极的钙钛矿太阳能电池

东京大学JACS:锂离子内嵌富勒烯构筑无金属电极的钙钛矿太阳能电池

东京大学JACS:锂离子内嵌富勒烯构筑无金属电极的钙钛矿太阳能电池

通讯作者:Il Jeon, Shigeo Maruyama, Yutaka Matsuo

通讯单位:东京大学

背景介绍

高效的钙钛矿太阳能电池为该领域的快速发展奠定了基础。但是,器件的低稳定性限制了钙钛矿太阳能电池的进一步发展。Li+TFSI和金属电极是造成器件不稳定的主要原因。使用吸湿性的Li+TFSI会导致Sipro-OMeTAD的氧化不受控制和水分驱动的降解。同样,金属电极引起金属离子迁移,从而降解钙钛矿材料,降低了器件的稳定性。

成果简介

鉴于此,近日,东京大学Il Jeon,Shigeo Maruyama和 Yutaka Matsuo通过控制锂离子内嵌富勒烯[Li+@C60]TFSIspiro-OMeTAD之间的氧化还原反应,以优化spiro-OMeTAD的氧化和抗氧化性中性内嵌富勒烯的量。将该混合物应用于无金属碳纳米管(CNT)层压电极钙钛矿太阳能电池,获得PSC效率为17.2%。在温度60℃、湿度70%的严苛条件下,稳定工作时间超过1100小时。如此高的性能归因于不受抑制的电荷流动、无金属离子迁移以及增强的器件抗氧化活性。相关研究成果以“Controlled Redox of Lithium-Ion Endohedral Fullerene for Efficient and Stable Metal Electrode-Free Perovskite Solar Cells”为题发表期刊JACS上。

东京大学JACS:锂离子内嵌富勒烯构筑无金属电极的钙钛矿太阳能电池

研究要点

1. 以锂离子内嵌富勒烯[Li+@C60]TFSI代替Li+TFSI提高器件稳定性。

2. CNT代替金属电极,解决金属离子迁移带来的钙钛矿降解问题。

3. 研究了[Li+@C60]TFSIspiro-OMeTAD之间的氧化还原反应机理。

4. 实现了17.2%的效率,且在温度60℃、湿度70%的严苛条件,稳定时间超过1100小时。

图文导读

东京大学JACS:锂离子内嵌富勒烯构筑无金属电极的钙钛矿太阳能电池图1. 金属电极(A)和CNTs电极(B)的PSC器件结构图。(C)[Li+@C60]TFSI代替Li+TFSI的spiro-OMeTAD反应机理。

据先前报道,在PSC中使用内嵌金属富勒烯导致PCE性能表现有限,由于低溶解性的[Li+@C60]TFSILi@C60在空穴层中形成团聚,电荷传输被中断(图1A)。将spiro-OMeTAD[Li+@C60]TFSI混在CNT中,过滤未溶的[Li+@C60]TFSILi@C60,在空穴达到聚合体前被CNT提取,可以提高PSC的效率(图1B)。Spiro-OMeTAD的氧化过程和抗氧化特性如图1C所示,具体化学过程详见原文。

东京大学JACS:锂离子内嵌富勒烯构筑无金属电极的钙钛矿太阳能电池图2.  不同搅拌时间的spiro-OMeTAD和[Li+@C60]TFSI混合液旋涂在CNT上的SEM图片(A-D)。不同搅拌时间的反应混合液UV-vis吸收谱图(F-H)

随着spiro-OMeTAD[Li+@C60]TFSI反应时间的增加,逐渐形成团聚物(图2A-D)。Spiro-OMeTAD[Li+@C60]TFSI反应混合物分为三类:(1)过滤上清液;(2)过饱和液;(3)邻二氯苯稀释的沉淀物(图2E)。UV-vis吸收谱结果表明,所有溶液的spiro-OMeTAD吸收峰都很强,说明在反应过程中有过量的spiro-OMeTAD存在。随着反应时间的延长,上清液中spiro-OMeTAD+TFSI浓度增加(图2F)。过饱和溶液搅拌2h后,spiro-OMeTAD+TFSI和氧化的Li@C60浓度几乎不变,而Li@C60峰强先增后减,说明2h后Li@C60变成其他产物(图2G)。所有稀释的沉淀物中,spiro-OMeTAD+TFSI的量均很少,而800 nm处的驼峰随着搅拌时间增加而增强,说明氧化的Li@C60量在增加。此外,没有中性的Li@C60峰(图2H)。

东京大学JACS:锂离子内嵌富勒烯构筑无金属电极的钙钛矿太阳能电池图3. Spiro-OMeTAD和[Li+@C60]TFSI及其搅拌5h后的拉曼光谱表征

[Li+@C60]TFSI的Ag(2)和Hg(8)振动峰左移说明还原成[Li+@C60]绿色)。Hg(1)Ag(2)和左移的Ag(1)表明生成(Li@C60)2。Hg(1)和Ag(1)的分裂说明可能形成富勒烯聚合物。这表明Li@C60不仅与氧气反应,而且与其他Li@C60进一步反应形成二聚物和聚合物。

东京大学JACS:锂离子内嵌富勒烯构筑无金属电极的钙钛矿太阳能电池 图4. 器件结构示意图和光电性能表征

器件结构为ITO/SnO2/ 2D-3D FACsPbI3/CNT,上面旋涂Spiro-OMeTAD[Li+@C60]TFSI混合物(图4A)。施加[Li+@C60]TFSI的CNT层压器件初始效率表明,随着HTL的搅拌时间增加,器件性能逐渐优化(图4B)。据此可推测,初始PCE与spiro-OMeTAD+TFSI的量成正比。图4C表明,在空气中持续光照一定时间,器件的性能先增后减。2h搅拌后,HTL的CNT-PSCs最高效率为17.2%,且PCE衰减速率最慢(图4D)。封装的器件获得了在苛刻条件下(60 °C, 70%湿度)持续光照工作超过1100h的长期稳定性(图4E)。这表明使用[Li+@C60]TFSI的CNT层压PSCs比金属电极和使用Li+TFSI的CNT层压PSCs更稳定。

总结与展望

该工作用spiro-OMeTAD和[Li+@C60]TFSI的混合物制备了无金属电极的CNT-PSC 。CNT电极充当天然的内嵌金属富勒烯聚集体过滤器。这防止了聚集体干扰电荷流,从而大大提高了PSC的PCE。控制spiro-OMeTAD和[Li+@C60]TFSI的氧化还原时间至关重要,最佳效率和稳定性的优化时间为2 h。该工作发现了新的反应机理,并证明无金属电极的PSC具有前所未有的高稳定性。

文献信息

Controlled Redox of Lithium-Ion Endohedral Fullerene for Efficient and Stable Metal Electrode-Free Perovskite Solar Cells(J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b06418)

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.9b06418

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | Mr. Jeran

主编丨张哲旭


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