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            共軛聚合物助力鈣鈦礦電池效率及穩定性

            共軛聚合物助力鈣鈦礦電池效率及穩定性

            溶液法制備基于有機-無機鹵素鈣鈦礦薄膜太陽能電池近幾年來在世界范圍內引起廣泛關注。在過去七年中,鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化效率由最初的3%一路上升到目前的22%。雖然鈣鈦礦太陽能電池已取得如此大的進展,但在其商業化的道路上仍然有幾個亟待解決的嚴峻問題,包括形貌控制,低結晶度和難以重復等等,而其中因鈣鈦礦材料易遇水分解帶來的穩定性問題表現的尤為迫切。

            近日,蘇州大學功能納米與軟物質研究院的馬萬里教授團隊報道了一種利用功能型共軛聚合物提升鈣鈦礦薄膜太陽能電池效率和穩定性的研究論文。他們分別利用P型和N型兩類共軛聚合物材料 (PF-0, N2200),并對分子主鏈進行氫-氟(H-F)原子取代,得到兩組聚合物材料。將共軛聚合物通過反溶劑萃取途徑應用于旋涂制備的MAPbI3鈣鈦礦薄膜太陽能電池中。在不影響鈣鈦礦結晶度的情況下,對鈣鈦礦薄膜進行了有效的鈍化,相比于標準器件最高17.7%的光電轉換效率,引入聚合物鈍化的器件最高效率能達到18.7%。更重要的還是,共軛聚合物和有機-無機鈣鈦礦材料在表面能上的巨大差異,加上良好的成膜性能,因此共軛聚合物能在鈣鈦礦薄膜表面形成連續的一層疏水保護層,特別是引入F原子之后,增加了聚合物材料的疏水性,使得鈣鈦礦薄膜表面變得更加疏水,可以實現有效的隔絕水氧的作用,對水汽敏感的鈣鈦礦層起到良好的保護作用。放置在室溫條件下,相對濕度30%, 30天內的效率保持在能保持90%以上。在持續光照條件下相比于無聚合物處理的電池器件穩定性也顯著提升。該文章發表在國際知名期刊Adv. Funct. Mater.上,博士研究生李方超為論文的第一作者,馬萬里教授和袁建宇副研究員為論文的共同通訊作者。

            共軛聚合物助力鈣鈦礦電池效率及穩定性

            圖1. 共軛聚合物提升鈣鈦礦薄膜穩定性的示意圖

            作者通過在反溶劑氯苯中溶解微量的共軛聚合物(0.4 mg/mL),這種制備工藝并不會增強鈣鈦礦電池的制備步驟,與所有體系的鈣鈦礦薄膜材料制備工藝相兼容,是一種具有普適性的器件改性工藝考慮到共軛聚合物是一種低毒的光電材料,其分子結構和電學能級可以靈活調節,因此找到更適宜的聚合物材料將會對鈣鈦礦太陽能電池的發展起到重要的推動作用。

            共軛聚合物助力鈣鈦礦電池效率及穩定性

            圖2 a)鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖,b) 含氟及不含氟的P型及N型共軛聚合物分子結構式, c)聚合物輔助的反溶劑萃取法制備鈣鈦礦薄膜流程圖

            作者同時材料光熱偏轉光譜(Photothermal Deflection Spectroscopy, PDS)分別對純鈣鈦礦薄膜以及聚合物處理的鈣鈦礦薄膜能帶進行測試,測試結果表明聚合物的加入并不會改變鈣鈦礦材料的能帶結果,微量的聚合物對鈣鈦礦薄膜沒有帶來摻雜的影響。

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            圖3. 鈣鈦礦薄膜的光熱偏轉光譜測試圖

            作者系統研究了聚合物的處理對器件性能的影響,驚喜的發現無論是P型聚合物還是N型聚合物對電池的光電轉換效率均有促進作用,其中含有F原子的聚合物的提升作用更加明顯。一定程度上說明了此種方法具有一定的普適性。

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            圖4 含氟及不含氟的P型及N型共軛聚合物修飾鈣鈦礦薄膜太陽能電池器件最優I-V曲線(插圖為20個器件效率統計分布)

            該工作報道了利用傳統共軛聚合物助力新型鈣鈦礦薄膜太陽能電池的新思路。轉換效率和穩定性一直是制約鈣鈦礦電池商業化進程的難題之一,利用傳統有機半導體材料進行取長補短,實現有機半導體材料和鈣鈦礦材料的協同作用為鈣鈦礦電池的研究提供了新的方向,也拓寬了有機共軛半導體材料的應用領域。

            Fangchao Li, Jianyu Yuan, Xufeng Ling, Yannan Zhuang, Yingguo Yang, Sin Hang Cheung, Carr Hoi Yi Ho, Xingyu Gao, Wanli Ma,?A Universal Strategy to Utilize Polymeric Semiconductor for Perovskite Solar Cells with Enhanced Efficiency and Longevity, Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201706377

             

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