最新进展 | 醇分散聚合物配合物作为n-i-p钙钛矿太阳能电池有效和持久的界面改性剂

科学   2024-03-07 09:24   湖北  

Journal of Energy Chemistry 刊发

秦平力老师课题组

PEDOT:F应用于n-i-p型钙钛矿太阳能电池的研究


导读

2024年2月9日

Journal of Energy Chemistry

在线刊发了武汉工程大学秦平力老师课题组题为

Alcohol-dispersed polymer complex as an effective and durable interface modifier for n-i-p perovskite solar cells

的研究论文。论文共同第一作者为硕士生石畅和本科生李江凌论文第一单位为武汉工程大学


摘要

界面缺陷仍然是阻碍钙钛矿太阳能电池(PSCs)效率和稳定性的重大挑战。本文将一种醇分散导电聚合物PEDOT:F(聚(3,4-乙烯二氧噻吩):全氟磺酸离聚物)引入到规则结构的PSCs中的钙钛矿与空穴传输层之间的界面中。PEDOT:F作为一个多功能界面层(填充晶界并覆盖钙钛矿的晶粒表面),与钙钛矿内部的有机基团实现强大的相互作用,这可以诱导PEDOT的结构转变,以提高其导电性,从而实现高效的空穴传输。此外,PEDOT与钙钛矿之间的强相互作用可以促进PEDOT分子中欠配位Pb2+离子与O和S原子的孤电子对的有效耦合,从而增强缺陷钝化。此外,PEDOT:F具有固有的疏水性,可以有效地防止水分侵入钙钛矿,从而提高PSC的长期稳定性。因此,基于PEDOT:F的PSCs获得了24.81%的冠军效率,在干燥空气环境中储存7680小时后保持了约92%的初始效率,并伴随着增强的光热稳定性

研究内容

Fig. 1. (a) Device structure and chemical structure of PEDOT:F with an electrostatic interaction between them (marked with a green dashed line). (b) Illuminated J-V characteristics of the PSC with PFSA and PEDOT:F treatment. (c) J-V curve of the champion PSC device (with 2.0 mg mL−1 PEDOT:F treatment). (d) IPCE spectra and the corresponding integrated Jsc.

Fig. 2. (a) UV-vis absorption. (b) XRD spectra. (c) 1D GIWAXS of the perovskite films with PFSA and PEDOT:F treatment. 2D GIWAXS patterns of the perovskite films (d) without, (e) with PFSA, and (f) with PEDOT:F treatment.

Fig. 3. SEM and AFM images of the perovskite films (a, d) without, (b, e) with PFSA, and (c, f) with PEDOT:F treatment.

Fig. 4. XPS core-level spectra of perovskite films with PFSA and with PEDOT:F treatment: (a) Pb 4f, and (b) I 3d. (c) FTIR spectra of the perovskite films with PFSA and with PEDOT:F treatment. Raman spectra of (d) PEDOT:F+FAI+MAI (mol/mol/mol = 0.25:1:0.5) mixture. (e) Steady-state PL and (f) TRPL spectra of perovskites with PFSA and PEDOT:F treatment.

Fig. 5. Schematic illustration of (a) the structural transformation of PEDOT and (b) the potential surface defect sites. (c) SCLC curves of the hole-only devices in the darkness. (d) EIS spectra of the PSC (the equivalent circuit is shown in this inset) with PFSA and PEDOT:F treatment (measured under dark conditions). (e) PCE as a function of time at a fixed voltage of the maximum power point (1.00 V) on the J-V curve. Long-term stability of the unencapsulated control device, PFSA- and PEDOT:F-treated device.

Fig. 6. (a) Photographs of degradation of the perovskite films exposed to 70% RH. The corresponding UV-vis absorption spectra of the perovskite films (b) without, (c) with PFSA- and (d) PEDOT:F-treated. (e) Stored at RT and approximately 30% humidity. (f) Exposed to illumination under a 150 W wLED with 0.8 sun in ambient air, and (g) annealed at 85 °C in a glove-box with an Ar atmosphere. A total of 40 unencapsulated devices were monitored for device stability.


研究成

综上所述,我们在n-i-p PSCs中引入了一种醇分散导电聚合物PEDOT:F,作为钙钛矿和spiro-OMeTAD界面的钝化层。PEDOT:F与钙钛矿的相互作用导致PEDOT发生结构转变,不仅提高了PEDOT的电导率,而且促进了PEDOT:F与钙钛矿的紧密接触,使PEDOT分子中O和S原子的孤电子对与欠配位的Pb2+结合,实现了有效的缺陷钝化。因此,基于PEDOT: f的PSCs获得了24.81%的冠军PCE。PEDOT:F由于其固有的疏水性,可以有效地填充GBs并覆盖在钙钛矿颗粒表面,在钙钛矿光敏剂的上表面形成高度坚固致密的保护层,防止水分侵入。因此,在干燥空气中储存7680小时后,PEDOT: f基PSCs保留了约92%的初始效率。这种方法为实现高效稳定的PSC提供了一条有希望的途径。

作者简介

第一通讯作者简介:

| 秦平力 武汉工程大学

秦平力,男,汉族,博士,教授,中共党员,第二届武汉工程大学青年骨干教师。2006年广西大学凝聚态物理专业硕士研究生毕业,2012年武汉大学微电子学与固体电子学专业博士毕业,同年晋升副教授。2012-2018年先后在武汉大学和香港理工大学从事博士后研究工作,主要研究光学功能材料与太阳电池器件。2019年12月晋升教授。在国内外期刊发表被SCI收录论文80多篇,其中以第一作者身份在国际顶级期刊Advanced Materials(IF=30.849), Advanced Functional Materials (IF=18.808), Journal of Materials Chemistry A (IF=12.732)上发表多篇论文,引用次数3500次,H因子31。目前的主要研究方向为硫化物金属纳米材料与钙钛矿电池。

第一作者简介:

| 石畅 武汉工程大学

石畅,硕士研究生在读,20219月进入武汉工程大学秦平力老师课题组,攻读硕士学位。主要研究方向为钙钛矿光敏层间界面调控以及电荷传输层表面修饰,致力于调控阳极侧界面,实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池。发表SCI论文6篇,其中以第一作者或共同第一作者发表3篇。

共同第一作者简介:

| 李江凌 武汉工程大学

李江凌,21级光电本科生在读,大二开始进入秦平力老师课题组,主要研究方向为通过钝化剂和反溶剂作用于钙钛矿太阳能电池以提升其性能。大一大二两学年连获两次三好学生荣誉称号,综合奖学金三等奖一次。


编辑 | 石畅

校对 | 石畅

审稿 | 秦平力

工大光伏
本公众号为武汉工程大学(Wuhan Institute of Technology)秦平力老师课题组公众号,课题组主要专注于新型光电材料与器件研究。