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北大深研院孟鸿团队Nano Energy:降低反向钙钛矿太阳电池界面损失的新材料

2017-11-16 14:21:27
作者:本网整理
来源:材料人

金属/有机界面处的界面损失是有机电子器件中的关键问题,在提高器件性能方面,界面层起着重要作用,并且界面材料的设计是优化器件性能面临的持续挑战。最近的研究中通过在有机电子传输层和金属电极之间加入阴极界面修饰层,不失为一种有效减少界面损失的方法。

     【引言】


    金属/有机界面处的界面损失是有机电子器件中的关键问题,在提高器件性能方面,界面层起着重要作用,并且界面材料的设计是优化器件性能面临的持续挑战。最近的研究中通过在有机电子传输层和金属电极之间加入阴极界面修饰层,不失为一种有效减少界面损失的方法。然而这些器件的制造需要昂贵的高真空薄膜沉积工艺或复杂的材料,阻碍了界面层在印制大面积器件中的应用和发展。

    【成果简介】

    最近,北京大学深圳研究生院新材料学院孟鸿教授课题组通过季铵化反应高产率地合成了分子结构简单的1,10-菲咯啉衍生物Phen-I,其具有双重功能性,在提高钙钛矿太阳能电池(PSC)的功率转换效率方面表现出优异的性能。该研究发表于Nano Energy,题为“Reduced Interface Losses in Inverted Perovskite Solar Cells by Using a Simple Dual-Functional Phenanthroline Derivative”,文章第一作者为胡钊博士。研究发现Phen-I作为界面修饰层可以有效降低金属电极功函,而且Phen-I又可作为n型掺杂剂提高电子传输材料导电性。研究人员通过一系列的测试手段对其中的机理进行了深入探究。

    【图文导读】

    图1. Uv-vis光谱和CV曲线
31.png
    a)Phen-I在溶液和薄膜中的Uv-vis光谱。b)Phen-I的循环伏安曲线。

    图2. 器件结构及部分性能测试
32.png
    a)以Phen-I作CIL的反向PSCs器件结构。

    b)在100mW / cm2 Am 1.5G照射下测量的PCBM/Ag和PCBM/Phen-I/Ag器件J-V曲线。

    c)对应的太阳能电池的EQE光谱。

    d)Phen-I为CIL的器件的滞回检测。

    图3. 反向PSC器件性能表征
33.jpg
    a)在100 mW / cm2的AM 1.5G照射下测量,稳定的输出功率效率和在所研究的反向PSC的最大功率点附近偏置的光电流密度。b)在100 mW / cm2 Am 1.5G照射下不同扫描速度下的反向PSC器件的J-V曲线。c)含有Phen-I层的30个器件的PCE直方图。

    图4. KPFM测量的表面电位图
34.jpg
    a)纯Ag电极  b)Ag / Phen-I。c)表面电位图中典型的VCPD直方图。 d)器件的能级图。

    图5. PCBM掺杂Phen-I器件结构及表征
35.jpg
    a)固态PC61BM / Phen-I共混物的ESP谱图。

    b)以Phen-I:PC61BM作为ETL的反向PSC的器件结构。

    c)纯PC61BM或Phen-I:PC61BM ETL的反向PSC器件在100 mW / cm2 Am 1.5G照射下测量的J-V曲线。

    图6. c-AFM图
36.jpg
    a)c-AFM测量的示意图,

    b)c-AFM测量的纯PC61BM和Phen-I:PC61BM的I-V曲线。

    c)、d)、e)、f)分别是纯PCBM, Phen-I:PC61BM为2%、5%、10%的c-AFM图像。

    图7. 器件表征及测试
37.jpg
    a)纯钙钛矿薄, 钙钛矿/纯PCBM以及钙钛矿/PCBM掺杂Phen-I的稳态PL光谱

    b)放大后的钙钛矿/纯PCBM、以及钙钛矿/PCBM掺杂Phen-I的稳态PL光谱

    c)器件稳定性测试。

    图8. 基于FA3MA0.7PbI2.7Cl0.3器件采用Phen-I修饰前和修饰后的器件性能
38.jpg
    a)在模拟AM 1.5太阳辐照下性能最好的FA0.3MA0.7PbI2.7Cl0.3器件的J-V曲线。

    b)相应太阳能电池的EQE光谱。

    【小结】

    该项研究合成了一个简单的Phen衍生物Phen-I,且通过将Phen-I作为金属电极和ETL之间的界面修饰层,使得反向PSC在PCEs上从10.70%明显增强到18.13%。当基于FA0.3MA0.7PbI2.7Cl0.3钙钛矿体系时得到最佳的PCE为19.27%。研究提出,Phen-I作为新的双功能界面修饰材料可以有效减少PSC的界面损失。其分子结构简单,合成成本低,因而也是大面积印刷高效有机电子元件的理想选择,该简单衍生物的设计概念可以拓展到其他新的高效界面材料中。

    文献链接: Reduced Interface Losses in Inverted Perovskite Solar Cells by Using a Simple Dual-Functional Phenanthroline Derivative  (Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.11.014)
 

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标签: 孟鸿, 钙钛矿太阳能电池(PSC), 电子传输材料, 导电性

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