苏州大学廖良生Nano Energy：石墨炔改性的铰链富勒烯作为电子传输层用于钙钛矿太阳能电池

【引言】

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池效率在短时间内已经突破22%。尽管在效率方面取得了巨大的进步，但是其稳定性问题仍然是阻挡其商业化的巨大挑战。大部分高效率的钙钛矿电池采用的都是n-i-p结构，并且用TiO₂作为电子传输层(ETL), spiro-OMeTAD作为空穴传输层。TiO₂作为一种优秀电子传输材料，具有良好的光电性能并且具有和钙钛矿相兼容的带隙。然而，在n-i-p结构中，电子传输层不仅决定了电荷的传输特性，也决定了钙钛矿薄膜的形貌和结晶性（钙钛矿层生长在电子传输层上面）。最近，许多钙钛矿应用了双电子传输层结构，如：TiO₂/PCBM、Graphene/TiO₂、PEIE/Y-TiO₂和SnO₂/C₆₀等，并且成功地提升了钙钛矿电池的性能，但是其环境稳定性的问题始终没有得到很好的解决。因此，发展一种耐溶剂的有机电子传输层，可同时解决电荷分离效率问题与钙钛矿薄膜稳定性问题，是提升钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的有效途径。

【成果简介】

近日，苏州大学廖良生教授、王照奎副教授，中科院化学研究所李玉良院士（共同通讯作者），以及台湾交通大学许千树教授和上海应用物理所高兴宇研究员，在Nano Energy上发表了一篇名为“Graphdiyne-Modified Cross-Linkable Fullerene as an Efficient Electron-Transporting Layer in Organometal Halide Perovskite Solar Cells”的文章。此项工作的第一作者为苏州大学的博士生李萌。研究者报道了一种溶液法制备的基于石墨炔(Graphdiyne)改性热铰链富勒烯(PCBSD)的杂化电子传输层，放置于TiO₂与钙钛矿层之中，成功地提升了器件的效率与稳定性。

【图文简介】

图1：材料分子结构与器件结构示意图

(a). PCBSD和GD的分子结构；

(b). 器件结构示意图；

(c). 器件截面SEM图。

图2：C-PCBSD:GD薄膜的表征

(a-b). FTO/C-PCBSD薄膜(a)和FTO-C-PCBSD:GD薄膜(b)的AFM图；

(c). FTO/TiO₂/C-PCBSD /Bphen/Ag单电子器件的双对数J-V曲线；

(d). GD与C-PCBSD: GD复合薄膜的拉曼谱；

(e-f). GD和C-PCBSD:GD复合薄膜的XPS谱。

图3：器件的性能表征

(a). 基于TiO₂和TiO₂/C-PCBSD:GD电子传输层的钙钛矿电池器件的J-V曲线；

(b). 最优器件在AM 1.5G照射下与无光照条件下的J-V曲线；

(c). 基于TiO₂和TiO₂/C-PCBSD: GD电子传输层的钙钛矿电池的入射光电子转换效率 (IPCE) 曲线，与电流密度积分曲线；

(d).30个基于TiO₂/C-PCBSD:GD电子传输层钙钛矿电池的性能统计分布直方图；插图为30个基于TiO₂/C-PCBSD电子传输层钙钛矿电池的性能统计分布直方图；

(e). 基于TiO₂/C-PCBSD: GD电子传输层钙钛矿电池在0.92V和在其最大功率处的最大稳定输出光电流；

(f). 器件的稳定性测试。

图4：薄膜的GIXRD表征

(a-b). C-PCBSD和C-PCBSD:GD薄膜的GIXRD衍射图纹；

(c). C-PCBSD和C-PCBSD: GD薄膜的GIXRD衍射的强度积分曲线；

(d-e). 沉积在C-PCBSD和C-PCBSD: GD薄膜上的钙钛矿薄膜的2D GIXRD衍射图纹；

(f). 沉积在C-PCBSD和C-PCBSD: GD薄膜上的钙钛矿薄膜的110面径向积分强度图。

图5：薄膜的疏水性能与吸收谱

(a, c). 水与DMF在TiO₂薄膜上的接触角；

(b, d). 水与DMF在TiO₂/C-PCBSD:GD薄膜上的接触角；

(e). C-PCBSD、DMF和CB淋洗的C-PCBSD薄膜的吸收谱曲线。

【小结】

研究者开发了一种优秀的石墨炔改性的富勒烯复合薄膜，该薄膜作为电子传输层放置于TiO₂与钙钛矿层之间可以有效地增强钙钛矿电池器件的性能，将器件的效率提升至20.19%, 同时器件的稳定性也得到显著的提升。

文献链接：Graphdiyne-Modified Cross-Linkable Fullerene as an Efficient Electron-Transporting Layer in Organometal Halide Perovskite Solar Cells.(Nano Energy，2017，DOI:10.1016/j.nanoen.2017.11.008)

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