研究背景
铅卤化物钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 的光电转化效率已经从 2009 年的 3.8% 提升至 26% 以上，显示出大规模商业化应用的巨大潜力。
随着对结晶调控、表面钝化和器件结构研究的不断深入，PSCs 的性能得到了稳步提升。其中，空穴传输材料 (HTMs) 的选择在提取和传输空穴、抑制界面电荷复合以及保护钙钛矿免受湿气、热和光应力的影响等方面极为重要。
迄今为止，高效率的 n-i-p 型 PSCs 通常基于 Spiro-OMeTAD，但其掺杂和氧化过程导致器件性能不稳定，限制了其进一步发展。因此开发新型 HTMs，是进一步提高 PSCs 稳定性和光电转换效率 (PCE) 的有效途径之一。
论文详情
近日，苏州大学袁建宇教授课题组和华南理工大学应磊教授合作报道了一种易于制备的芴-咔唑基共轭聚合物空穴导体— PF8Cz，将其作为高效稳定的 PSCs 的 HTMs。
通过在钙钛矿薄膜顶部沉积一层 PF8Cz，它表现出与钙钛矿更好的兼容性、良好的能级排列和高空穴迁移率，这对于优化钙钛矿/HTMs 的界面载流子提取过程非常重要。此外，基于 PF8Cz 的器件在环境储存、热应力和操作条件下的稳定性都有显著提高。新材料的研究将催动新分子结构的发展，特别是聚合物的发展，以实现 PSCs 的巨大潜力。
图 1. (a) PF8Cz、Spiro-OMeTAD 和 PTAA 的分子结构。(b) n-i-p PSCs 的结构示意图。(c) PSCs 的横截面SEM图像。(d) PF8Cz、Spiro-OMeTAD 和 PTAA 薄膜的紫外可见光吸收光谱。(e) PSCs 的能级排布。(f) 不同 HTMs 的空穴迁移率和电导率。
图 2. (a) PF8Cz 基 PSCs 的 J-V 特性曲线。(b) PF8Cz 基 PSCs 的 EQE 和积分电流密度。(c) 基于 PF8Cz、Spiro-OMeTAD 和 PTAA 的 PSCs 的最佳 J-V 特性；插图显示了采用不同 HTMs 的 PSCs 的 PCE 统计分布。(d) PF8Cz 基 PSCs 的 SPO。(e) 1 cm2 PF8Cz 基 PSCs 的 J-V 曲线。(f) 最近报道的基于共轭聚合物 HTMs 的高效率 (>22%) n-i-p PSCs。
图 3. (a) 水接触角图像。(b) 水滴下钙钛矿/PF8Cz 和钙钛矿/Spiro-OMeTAD 薄膜的外观。(c) PSCs 的长期储存稳定性测试。(d) PSCs 在 85°C 下的稳定性测试。(e) PSCs 的持续 MPP 跟踪稳定性测试。
图 4. (a) PF8Cz、(b) PTAA 和 (c) Spiro-OMeTAD 薄膜的 GIWAXS 图像。(d) 钙钛矿薄膜和 (e) 钙钛矿/PF8Cz 的俯视图 SEM 图像。(f) 钙钛矿和钙钛矿/不同 HTMs 的稳态 PL 光谱。(g) 钙钛矿和钙钛矿/不同 HTMs 的 TRPL 光谱。(h) 钙钛矿薄膜和 (i) 钙钛矿/PF8Cz 的 PL mapping。
图 5. (a) 暗电流曲线。(b) JSC 对光强的依赖性。(c) VOC 对光强的依赖性。(d) Mott-Schottky 图。(e) 陷阱态表征。(f) 阻抗图。
作者选定的聚合物空穴导体 PF8Cz 与钙钛矿具有合适的能级排列和高空穴迁移率，可以在钙钛矿/聚合物界面实现高效的电荷提取，此外避免了基于 Spiro-OMeTAD 的 PSCs 中因掺杂和氧化过程导致的不稳定。同时，PF8Cz 可进行大面积溶液加工，且薄膜形貌更加均匀、可重复。通过精细优化，PF8Cz 实现了 23.28% 的最佳效率，与广泛采用的分子掺杂 Spiro-OMeTAD (23.55%) 相当，比广泛使用的聚合物 PTAA (20.38%) 显著提高。重要的是，基于 PF8Cz 的器件表现出优异的长期稳定性，在环境条件下 (30 °C, 30–50%) 存储 1000 小时后仍保留其初始 PCE 的 88%，在 MPP 跟踪下的操作稳定性测量中 (30 °C, N2), 1000 小时照明后仍保留其初始 PCE 的 87%，PF8Cz 可以很好地平衡成本-加工-性能之间的相互作用，更重要的是，它可以促进高性能有机 HTMs 的进一步发展，有助于实现 PSCs 的巨大潜力。
论文信息
A fluorene-carbazole conjugated polymer hole conductor for efficient and stable perovskite solar cells Bei Wang(王蓓，苏州大学), Junjun Guo, Xuanang Luo, Chenxu Han, Bo Zhao, Ihsan Ullah, Yuxin Kong, Xinyu Zhao, Lei Ying*(应磊，华南理工大学) and Jianyu Yuan*(袁建宇，苏州大学) J. Mater. Chem. A, 2024, 12, 13203-13211
https://doi.org/10.1039/D4TA02009J
主要作者介绍
本文第一作者，硕士研究生，苏州大学功能纳米与软物质研究院 2022 级材料科学与工程专业，导师为袁建宇教授，目前主要研究方向为高性能钙钛矿太阳能电池。
相关期刊
rsc.li/materials-a
J. Mater. Chem. A
| 2-年影响因子* | 10.7分 |
| 5-年影响因子* | 10.8分 |
| 最高 JCR 分区* | Q1 能源与燃料 Q1 化学-物理化学 Q1 材料科学-跨学科 |
| CiteScore 分† | 19.5分 |
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Anders Hagfeldt
🇸🇪 乌普萨拉大学
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Associate editors
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* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)
† CiteScore 2023 by Elsevier
‡ 中位数，仅统计进入同行评审阶段的稿件
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