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北大深研院孟鴻團隊Nano Energy：降低反向鈣鈦礦太陽電池界面損失的新材料

2017-11-16 14:21:27 作者：本網整理來源：材料人分享至：

【引言】

金屬/有機界面處的界面損失是有機電子器件中的關鍵問題，在提高器件性能方面，界面層起著重要作用，并且界面材料的設計是優化器件性能面臨的持續挑戰。最近的研究中通過在有機電子傳輸層和金屬電極之間加入陰極界面修飾層，不失為一種有效減少界面損失的方法。然而這些器件的制造需要昂貴的高真空薄膜沉積工藝或復雜的材料，阻礙了界面層在印制大面積器件中的應用和發展。

【成果簡介】

最近，北京大學深圳研究生院新材料學院孟鴻教授課題組通過季銨化反應高產率地合成了分子結構簡單的1，10-菲咯啉衍生物Phen-I，其具有雙重功能性，在提高鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的功率轉換效率方面表現出優異的性能。該研究發表于Nano Energy，題為“Reduced Interface Losses in Inverted Perovskite Solar Cells by Using a Simple Dual-Functional Phenanthroline Derivative”，文章第一作者為胡釗博士。研究發現Phen-I作為界面修飾層可以有效降低金屬電極功函，而且Phen-I又可作為n型摻雜劑提高電子傳輸材料導電性。研究人員通過一系列的測試手段對其中的機理進行了深入探究。

【圖文導讀】

圖1. Uv-vis光譜和CV曲線

a）Phen-I在溶液和薄膜中的Uv-vis光譜。b）Phen-I的循環伏安曲線。

圖2. 器件結構及部分性能測試

a）以Phen-I作CIL的反向PSCs器件結構。

b）在100mW / cm2 Am 1.5G照射下測量的PCBM/Ag和PCBM/Phen-I/Ag器件J-V曲線。

c）對應的太陽能電池的EQE光譜。

d）Phen-I為CIL的器件的滯回檢測。

圖3. 反向PSC器件性能表征

a）在100 mW / cm2的AM 1.5G照射下測量，穩定的輸出功率效率和在所研究的反向PSC的最大功率點附近偏置的光電流密度。b）在100 mW / cm2 Am 1.5G照射下不同掃描速度下的反向PSC器件的J-V曲線。c）含有Phen-I層的30個器件的PCE直方圖。

圖4. KPFM測量的表面電位圖

a）純Ag電極 b）Ag / Phen-I。c）表面電位圖中典型的VCPD直方圖。 d）器件的能級圖。

圖5. PCBM摻雜Phen-I器件結構及表征

a）固態PC61BM / Phen-I共混物的ESP譜圖。

b）以Phen-I:PC61BM作為ETL的反向PSC的器件結構。

c）純PC61BM或Phen-I:PC61BM ETL的反向PSC器件在100 mW / cm2 Am 1.5G照射下測量的J-V曲線。

圖6. c-AFM圖

a）c-AFM測量的示意圖，

b）c-AFM測量的純PC61BM和Phen-I:PC61BM的I-V曲線。

c）、d）、e）、f）分別是純PCBM, Phen-I:PC61BM為2％、5％、10％的c-AFM圖像。

圖7. 器件表征及測試

a）純鈣鈦礦薄，鈣鈦礦/純PCBM以及鈣鈦礦/PCBM摻雜Phen-I的穩態PL光譜

b）放大后的鈣鈦礦/純PCBM、以及鈣鈦礦/PCBM摻雜Phen-I的穩態PL光譜

c）器件穩定性測試。

圖8. 基于FA3MA0.7PbI2.7Cl0.3器件采用Phen-I修飾前和修飾后的器件性能

a）在模擬AM 1.5太陽輻照下性能最好的FA0.3MA0.7PbI2.7Cl0.3器件的J-V曲線。

b）相應太陽能電池的EQE光譜。

【小結】

該項研究合成了一個簡單的Phen衍生物Phen-I，且通過將Phen-I作為金屬電極和ETL之間的界面修飾層，使得反向PSC在PCEs上從10.70％明顯增強到18.13％。當基于FA0.3MA0.7PbI2.7Cl0.3鈣鈦礦體系時得到最佳的PCE為19.27％。研究提出，Phen-I作為新的雙功能界面修飾材料可以有效減少PSC的界面損失。其分子結構簡單，合成成本低，因而也是大面積印刷高效有機電子元件的理想選擇，該簡單衍生物的設計概念可以拓展到其他新的高效界面材料中。

文獻鏈接： 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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責任編輯：楊揚

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