苏大李永舫团队李耀文教授Adv. Mater.: 界面工程的“靶向治疗”策略实现高效率、高稳定性p-i-n型平面异质结钙钛矿太阳能电池

【引言】

平面p-i-n钙钛矿太阳能电池由于其简单的器件结构、可溶液加工，低温制备等优点引起了科研工作者的广泛关注，并获得了快速发展。目前，平面p-i-n钙钛矿太阳能电池的效率已经超过了21%，其中PCBM作为已经商业化的电子传输层材料由于具有可钝化钙钛矿缺陷以及高效抽提电子能力等优点被广泛采用。但是，由于PCBM在钙钛矿薄膜上的覆盖度差、水阻隔能力弱、能级匹配差、以及对钙钛矿表面未配位的Pb²⁺离子缺陷钝化效果不佳等原因，制约着基于PCBM电子传输层的p-i-n型平面异质结钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的进一步提升。因此，开发新型ETL材料来改善缺陷非常重要。

【成果简介】

苏州大学李永舫院士团队李耀文教授等人报道了提出“靶向治疗”策略来开发高效率和高稳定性的钙钛矿太阳能电池。他们合成了易制备的和疏水的富勒烯衍生物PCBB-S-N，并用它作为p-i-n型平面异质结钙钛矿太阳能电池的电子传输层材料。所得到的钙钛矿太阳能电池不仅具有高于PCBM为电子传输层的器件效率，而且无封装在相对湿度为40%–50%的环境中运行1000小时和在85℃的温度下被加热500小时后性能几乎不衰减。此外，PCBB-S-N作为钙钛矿和PCBM之间的媒介层时，PCBB-S-N依然具有“靶向治疗”效应，同时还可以诱导PCBM生长形成致密、均一的电子传输层。上述成果于近日发表在期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1.

a)PCBB-S-N的合成路线和结构

b)基于不同电子传输层的p-i-n型平面异质结钙钛矿太阳能电池的器件结构

c)基于不同电子传输层的p-i-n型平面异质结钙钛矿太阳能电池的能级图

图2.

a) MAPbI₃钙钛矿薄膜和PCBB-S-N的红外光谱

b) MAPbI₃钙钛矿薄膜的XPS谱图

c )MAPbI₃钙钛矿（001）晶面的电子云密度分布图

d) PCBB-S-N在（110）晶面上具有的反位缺陷

e)水分子和PCBB-S-N中的各个官能团之间的氢键能

图3.

a)钙钛矿薄膜的SEM图

b)60-nm-PCBM薄膜覆盖的钙钛矿的SEM图

c)60-nm-PCBB-S-N薄膜覆盖的钙钛矿的SEM图

d) 10-nm-PCBB-S-N和60-nm-PCBM覆盖的钙钛矿的SEM图

e)理论计算模拟PCBM/PCBM分子间的相互作用

f)理论计算模拟PCBB-S-N/PCBB-S-N分子间的相互作用

g)理论计算模拟PCBB-S-N/PCBM分子间的相互作用

h)不同分子之间的非键能

图4.

a)基于不同电子传输层的钙钛矿太阳能电池的J-V曲线图

b)基于不同电子传输层的钙钛矿太阳能电池的稳态光电流输出图

c)基于不同电子传输层的钙钛矿太阳能电池的EQE曲线

d)基于不同电子传输层的钙钛矿电池的效率统计图

图5.

a)基于不同电子传输层的钙钛矿薄膜的PL和TRPL谱图

b)基于不同电子传输层的钙钛矿太阳能电池的交流阻抗谱图

c)基于不同电子传输层的钙钛矿太阳能电池的开路电压和光强度之间的关系

d)基于不同电子传输层的SCLC图谱

图6.

a)器件在空气环境中，湿度为40%-50%条件下的湿度稳定性

b)器件在N₂手套箱中,器件在85℃下连续加热状态下的热稳定性

c)水滴在钙钛矿表面上对钙钛矿薄膜降解的光学照片。

【小结】

通过精准设计、合成功能性富勒烯衍生物作为钙钛矿和PCBM之间的媒介层，不仅可以诱导PCBM薄膜生长，改善基于PCBM电子传输层的平面异质结钙钛矿太阳能电池器件稳定性较差的难题，还可以治愈钙钛矿薄膜中的缺陷，优化器件能级，最终实现电池性能的进一步提高，为p-i-n型平面异质结钙钛矿太阳能电池走向商业化提供了新途径。

文献链接：Targeted Therapy for Interfacial Engineering Toward Stable and Efficient Perovskite Solar Cells（Adv. Mater.，2019，DOI：10.1002/adma.201903691）

作者介绍：

李耀文，教授，博士生导师。长期从事有机、钙钛矿太阳能电池材料合成及器件制备相关研究。尤其在界面工程、柔性太阳能电池关键制备工艺及材料方面取得了一系列研究成果。迄今，共发表SCI论文60余篇，其中第一作者及通讯作者身份在Joule, Nat. Commun., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater，Adv. Energy Mater., Energy Environ. Sci.等高水平杂志上发表SCI论文40篇，被引用3000余次，h-因子31。其中，ESI热点论文2篇，ESI高被引论文6篇。

获得国家自然优秀青年科学基金、苏州市托举人才、仲英青年学者，江苏省优秀青年基金项目等人才项目。主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目等省部级项目6项，横向项目2项。作为项目骨干参加面向能源光电转换重大研究计划集成项目、重点国际合作研究项目。

在该领域工作汇总：

李永舫院士团队李耀文课题组近年来基于有机半导体材料在平面型钙钛矿太阳能电池以及有机太阳能电池的界面工程工作方面取得了一系列成果。2015年合成了含氰基的三嵌段富勒烯衍生物(PCBB-2CN-2C8)，并用于修饰金属氧化物TiO₂的表面，抑制了氧空位，提高了电子传输层的电荷提取能力，实现了电池效率和光稳定性的显著提升；¹合成了亲水性功能富勒烯衍生物PCBB-OEG，通对MAI前驱体掺杂的方法获得了分子模板诱导高晶格取向、低缺陷态钙钛矿的生长；²进一步，利用超薄体异质结有机半导体（PBDB-T:ITIC）层作为空穴传输层和活性层之间的中间层，不仅可以形成梯度能级，而且还钝化了钙钛矿表面的反位缺陷，有效降低了电池的能量损失；³提出了利用高电导率的富勒烯有机电解质替代ZnO作为电子传输层的思路，实现了全室温柔性太阳能电池的制备，其效率达到了10.04%，为当时报道的柔性有机太阳能电池的最高效率，同时极大改善了太阳能电池的耐弯曲性。⁴^，⁵该团队多年来致力于基于有机半导体材料的界面工程，实现了太阳能电池性能的显著提升，拓展了在半透明、柔性太阳能电池方面的应用。⁶^，⁷

优质文献推荐：

Y. W. Li, Y. Zhao, Q. Chen, Y. M. Yang, Y. Liu, Z. Hong, Z. Liu, Y. T. Hsieh, L. Meng, Y. F. Li, Y. Yang, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 15540.
G. Xu, R. Xue, W. Chen, J. Zhang, M. Zhang, H. Chen, C. Cui, H. Li, Y. W. Li, Y. F. Li, Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1703054.
G. Xu, P. Bi, S. Wang, R. Xue, J. Zhang, H. Chen, W. Chen, X. Hao, Y. W. Li, Y. F. Li, Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1804427.
J. Zhang, R. Xue, G. Xu, W. Chen, G.-Q. Bian, C. Wei, Y. W. Li, Y. F. Li, Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1705847.
J. Zhang, G. Xu, F. Tao, G. Zeng, M. Zhang, Y. M. Yang, Y. W. Li, Y. F. Li, Adv. Mater. 2019, 31, 1807159.
Y. W. Li, L. Meng, Y. M. Yang, G. Xu, Z. Hong, Q. Chen, J. You, G. Li, Y. Yang, Y. F. Li, Nat. Commun. 2016, 7, 10214.
C. Cui, Y. W. Li, Y. F. Li, Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1601251.

本文由kv1004供稿。感谢李永舫院士和李耀文教授在百忙中对本文进行校稿。