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

Annay 7年前 (2017-11-16) 7581浏览

【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

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

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

 

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

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

 

 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

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

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

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)

通讯作者简介：

孟鸿，北京大学深圳研究生院新材料学院副院长，教授，博士生导师，中组部“千人计划”特聘专家，广东省领军人才，深圳市孔雀A类人才。孟鸿教授师从有机光电材料科学家美国科学院院士Fred Wudl教授（美国加州大学洛杉矶分校）、斯坦福大学有机半导体材料专家美国工程院院士Zhenan Bao教授、诺贝尔奖获得者美国科学院和工程院院士Alan Heeger教授，二十多年来一直从事有机光电材料的研发工作。曾在美国杜邦公司、贝尔实验室和朗讯科技从事有机光电材料研究工作。在美国杜邦公司任职期间，任高级化学家，发明了当时世界上最好的OLED蓝光材料（目前仍然最优）和红光、绿光OLED材料。孟鸿教授在固态有机合成法、有机半导体器件工程、有机电子学等科学技术领域，特别是有机发光二极管、显示技术、有机薄膜晶体管、有机无机杂化钙钛矿太阳电池，有机导电聚合物和纳米技术的应用研发方面有着丰富的工作经验与理论基础。先后在J. Am. Chem. Soc, Adv. Mater., Adv. Energy. Mater., Nano Energy, Chem. Mater., Chem. Sci., Macromolecules等国际著名期刊上发表文章90余篇，他引次数5500以上；参与撰写OLED技术领域的英文专著2本。拥有45项国际发明专利（20项授权），回国后申请61项国内外发明专利，其中20项已授权。该团队将整合企业和国际先进技术资源，致力于有机光电材料创新、专业人才培养，打造国际领先的有机光电材料技术平台，为广东乃至全国相关企业提供强有力的有机光电材料与技术支撑。

团队近期成果：

  1. Zhao Hu, Jingsheng Miao*, Tingting Li, Ming Liu, Imran Murtaza, Hong Meng*, 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
  2. Ming Liu; Guohua Zhong; Yongming Yin; Jingsheng Miao; Ke Li; Chengqun Wang; Xiuru Xu; Clifton Shen; Hong Meng*, Aluminum-Doped Cesium Lead Bromide Perovskite Nanocrystals with Stable Blue Photoluminescence Used for Display Backlight, Advanced Science, 2017, DOI: 10.1002/advs.201700335, 1700335
  3. Xiuru Xu, Dan Hu, Lijia Yan, Shaoli Fang, Clifton Shen, Yueh-Lin Loo, Yuan Lin, Carter S. Haines, Na Li, Anvar A. Zakhidov, Hong Meng,* Ray H. Baughman,* and Wei Huang*, Polar-Electrode-Bridged Electroluminescent Displays: 2D Sensors Remotely Communicating Optically, Adv. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adma.201703552
  4. Shan Shao, Jingjing Shi, Imran Murtaza, Panpan Xu, Yaowu He, Sanjay Ghosh, Xiaosi Zhua, Igor F. Perepichka* and Hong Meng*. Exploring the electrochromic properties of poly(thieno[3,2-b]thiophene)s decorated with electron-deficient side groups, Polym. Chem. 2017, 8, 769-784
  5. Mengyun Chen, Yang Zhao, Lijia Yan, Shuai Yang, Yanan Zhu, Imran Murtaza, Gufeng He,* Hong Meng,* and Wei Huang*. A Unique Blend of 2-Fluorenyl-2-anthracene and 2-Anthryl-2-anthracence Showing White Emission and High Charge Mobility, Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 129, 740 -745
  6. Yitong Guo, Weishuo Li, Hongtao Yu, Dmitrii F. Perepichka, and Hong Meng*. Flexible Asymmetric Supercapacitors Via Spray Coating of a New Electrochromic Donor-Acceptor Polymer, Adv. Energy Mater. 2017, 7(2), 1601623
  7. Panpan Xu; Imran Murtaza; Jingjing Shi; Mengmeng Zhu; Yaowu He; Hongtao Yu; Osamu Goto and Hong Meng*, Highly Transmissive Blue Electrochromic Polymers Based On Thieno[3,2-b]thiophene, Polym. Chem. 2016, 6(79), 75522-75529
  8. Zhao Hu; Weifei Fu; Lijia Yan; Jingsheng Miao; Hongtao Yu; Yaowu He; Osamu Goto; Hong Meng*; Hongzheng Chen* and Wei Huang*, Effects of heteroatom substitution in spirobifluorene hole transport materials, Chem. Sci. 2016, 7, 5007-5012

孟鸿课题组网页：http://web.pkusz.edu.cn/menghong/

本文由材料人计算材料组Annay供稿，材料牛整理编辑。

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