Adv. Energy. Mater. :稳定高效的聚合物掺杂钙钛矿电池

【引言】

如今钙钛矿电池效率已经达到21.1%，已经超过了商业化的晶硅太阳能电池，但是由于器件存在稳定性差等问题，严重阻碍了其商业化的进程。钙钛矿电池中的每一层结构对器件性能的影响都非常大。在钙钛矿层中，钙钛矿晶粒内部的缺陷态极少，因此载流子在钙钛矿晶粒内部的复合可以忽略不计。但是，载流子复合与材料降解的却常发生在钙钛矿的晶界和钙钛矿薄膜表面上，严重制约了器件的稳定性与效率。为了提高器件的效率与稳定性，一般通过增加钙钛矿颗粒尺寸来减小晶界数量来提升器件的效率，同时通过表面钝化的方式来提高器件的环境稳定性。研究发现，在前驱体中加入高分子聚合物材料，可以获得形态和结晶度较好的钙钛矿型薄膜。同时长链的聚合物可以形成网状薄膜使钙钛矿与水氧隔绝。然而，这里有两个主要的问题仍没有被系统的研究过：1.钙钛矿/聚合物表面真的存在显著的电荷转移吗？2.如果有，是否真对器件性能有利？

【成果简介】

近日，陕西师范大学陕西师范大学刘忠生教授和靳志文博士（共同通讯作者）在Advanced Energy Materials上发表了一篇名为“Polymer Doping for High-Efficiency Perovskite Solar Cells with Improved Moisture Stability”的文章。在这次研究中，研究者使用了多种聚合物来对钙钛矿进行掺杂。研究发现，所有聚合物都能对钙钛矿进行有效的钝化，与聚合物的带隙无关。使用聚合物掺杂的器件能够提升10%的效率，从17.43%增加至19.19%，器件的稳定性也得到提升。

【图文简介】

图1：器件结构图、截面SEM和能带图，聚合物的分子式与能带图

(a).钙钛矿太阳能电池结构图；

(b).钙钛矿太阳能电池截面SEM图；

(c).钙钛矿太阳能电池能带图；

(d).所使用到的聚合物的分子式；

(e).聚合物的能带图。

图2:掺杂不同浓度J71聚合物的钙钛矿薄膜的结构表征图

(a-e).掺杂不同浓度J71聚合物的钙钛矿薄膜的AFM图；

(f- j).掺杂不同浓度J71聚合物的钙钛矿薄膜的SEM俯视图；

(k- o). 掺杂不同浓度J71聚合物的钙钛矿薄膜的SEM侧视图。

图3：掺杂不同浓度J71聚合物的钙钛矿薄膜的性能表征图

(a).掺杂不同浓度J71聚合物的钙钛矿薄膜的XPS谱；

(b).掺杂不同浓度J71聚合物的钙钛矿薄膜的UPS谱；

(c).掺杂不同浓度J71聚合物的钙钛矿薄膜的XRD谱；

(d).掺杂不同浓度J71聚合物的钙钛矿薄膜的吸收谱；

(e).掺杂不同浓度J71聚合物的钙钛矿薄膜的PL谱；

(f). 掺杂不同浓度J71聚合物的钙钛矿薄膜电池的J-V曲线。

图4：掺杂不同聚合物的钙钛矿薄膜的性能表征图

(a).掺杂不同聚合物的钙钛矿薄膜的XPS谱；

(b).掺杂不同聚合物的钙钛矿薄膜的UPS谱；

(c).掺杂不同聚合物的钙钛矿薄膜的XRD谱；

(d).掺杂不同聚合物的钙钛矿薄膜的吸收谱；

(e).掺杂不同聚合物的钙钛矿薄膜的PL谱；

(f). 掺杂不同聚合物的钙钛矿薄膜电池的J-V曲线。

图5:未掺杂器件与J71掺杂优化后的器件性能对比

(a).对比器件的正反扫J-V曲线；

(b).对比器件的EQE曲线；

(c-f).对比器件各取25个器件的Jsc(c)、Voc(d)、FF(e)和PCE(f)的统计分布。

图6：未掺聚合物与掺J71聚合物器件对比稳定性测试与其他性能测试

(a).0.9V偏压下，对比器件的效率与时间的关系曲线；

(b).未封装对比器件的空气老化时间；

(c).掺J71与未掺杂的钙钛矿薄膜的核磁共振谱；

(d).暗电流拐点测试，插图为器件结构；

(e).两种薄膜沉积在TiO₂/FTO上的时间分辨荧光光谱；

(f).交流阻抗曲线。

【小结】

研究表明，对钙钛矿薄膜进行聚合物掺杂可以有效提高器件的性能。聚合物掺杂使得钙钛矿薄膜的陷阱态密度大大降低，钝化效果得到提升，使太阳能电池效率提高到19.19%，消除了J –V的迟滞现象，并且表现出更加优异的稳定性。

文献链接：Polymer Doping for High-Efficiency Perovskite Solar Cells with Improved Moisture Stability(Adv. Energy. Mater., 2017, DOI:10.1002/aenm.201701757)

团队介绍

刘生忠教授领导的团队是国内外较早从事钙钛矿太阳电池研究的团队之一。团队研发了钙钛矿单晶生长新方法，成功制备了超大尺寸钙钛矿单晶，各方面指标均领先领域先进水平【Y. Liu, Z. Yang, D. Cui, X. Ren, J. Sun, X. Liu, J. Zhang, Q. Wei, H. Fan, F. Yu, X. Zhang, C. Zhao, S. F. Liu, Adv. Mater. 2015, 27, 5176-5183；Y. Liu, X. Ren, J. Zhang, Z. Yang, D. Yang, F. Yu, J. Sun, C. Zhao, Z. Yao, B. Wang, Q. Wei, F. Xiao, H. Fan, H. Deng, L. Deng, S.(Frank) Liu, SCIENCE CHINA Chemistry 2017, 10.1007/s11426-017-9081-3.】。在平面型钙钛矿电池和柔性钙钛矿电池方面，均先后几次报道了领域最高效率【D. Yang, R. Yang, X. Ren, X. Zhu, Z. Yang, C. Li, S. F. Liu, Adv. Mater. 2016, 28, 5206-5213; D. Yang, R. Yang, J. Zhang, Z. Yang, S. Liu, C. Li, Energy Environ. Sci. 2015, 8, 3208-3214.】。特别是采用独特的界面修饰方法和双源共蒸法，平面异质结电池效率超过了20%；发展了优质的TiO2和Ni2O5电子传输层的低温沉积工艺，制备的柔性钙钛矿电池效率达到18.32%。这些成果都达到了同类研究的国际先进水平。

优质文献推荐

• Jiang, Z. Jin, J. Lei, Q. Wang, X. Zhang, J. Zhang, F. Gao, S. F. Liu, J. Mater. Chem. A 2017, 5, 9514.
• Wang, X. Zhang, Z. Jin, J. Zhang, Z. Gao, Y. Li, F. S. Liu, ACS Energy Lett. 2017, 2, 1479.
• Feng, Z. Yang, D. Yang, X. Ren, X. Zhu, Z. Jin, W. Zi, Q. Wei, S. Liu, Nano Energy 2017,36,1.
• Yang, R. Yang, J. Zhang, Z. Yang, S. Liu and C. Li, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 3208–3214.
• Zhu X, Yang D, Yang R, et al. Superior stability for perovskite solar cells with 20% efficiency using vacuum co-evaporation[J]. Nanoscale, 2017, 9(34): 12316-12323.

本文由材料人欧洲杯线上买球 学术组刘于金供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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