南京工业大学Nano Energy：无后处理、无掺杂二芳基芴类纳米分子作为柔性p-i-n型钙钛矿太阳能电池的空穴传输材料

【引言】

钙钛矿太阳能电池因其高能量转换效率已引起了高度关注，这种电池的低成本溶液制备法和印刷技术使其在其他光伏器件中也有广泛的潜在应用价值。过去十年间，研究人员致力于改变电池结构和优化钙钛矿薄膜形貌，钙钛矿太阳能电池转换效率也从2009年的3.8%上升至今年的22.1%。迄今为止，高效的固态介孔和平面异质结已被用于改善器件结构，增强器件性能。然而，利用金属氧化物（如：TiO2，SnO2，CuO）等作为电子传输层的传统制备方法需要高温处理，而这种方法不仅十分耗能且不适用于柔性塑料基底。因此，可低温制备的无滞后反式钙钛矿太阳能电池（i-PVSC）出现了。反式电池通常使用PCBM作为电子传输层（ETL），PEDOT:PSS作为空穴传输层，适用于柔性基底，可通过印刷技术量产。PEDOT:PSS的酸性和亲水性会不可避免地腐蚀ITO，吸收环境中的水分，影响器件的性能和稳定性。因此，商用的钙钛矿电池十分需要新型溶液处理的空穴材料。与聚合物空穴材料不同，小分子易于提纯，通过分子工程对化学结构进行改性，可以控制光电性能。

【成果简介】

最近，南京工业大学黄维教授(通讯作者)等人在Nano Energy 上发表题为“Diarylfluorene-based Nano-molecules as Dopant-Free Hole-transporting Materials without Post-treatment Process for Flexible p-i-n Type Perovskite Solar Cells”的文章。研究团队设计了两组二芳基芴类HTM，TPA或者9-NPC作为链臂，C8或者C6Cz为侧链，分别命名为MC8-TPA, MC8-9-NPC，MC6Cz-TPA和MC6Cz-9-NPC。这些材料在普通有机溶剂中有很好的溶解性，旋涂而成的薄膜界面光滑，疏水性好，在ITO上不需后续热处理即表现完全结晶态。在二芳基芴类HTM上制备的钙钛矿薄膜比在PEDOT:PSS上的晶粒更大，约为300nm。器件的最高效率达到13.85%，柔性钙钛矿电池最高效率为9.09%。

【图文导读】

图1.无掺杂空穴材料的钙钛矿太阳能电池

图2.无掺杂二芳基芴类空穴材料的分子结构和电池结构

a）HTM的化学结构；

b）单晶中MC8-9-npc的分子结构和分子尺寸；

c）柔性i-PVSC的结构；

d）文章器件涉及的材料的能带分布；

图3.电池的光学表征

a）在不同HTM上制备的钙钛矿薄膜的紫外可见吸收光谱；

b）基于不同HTM的钙钛矿的稳态荧光光谱；

c）基于不同HTM的钙钛矿在峰值发射波长（760nm）出拍摄的时间分辨PL衰减瞬变；

图4.钙钛矿薄膜形貌表征

a-e)旋涂在ITO基底上的HTM (a) PEDOT:PSS, (b) MC8-TPA, (c) MC8-9-NPC, (d)MC6Cz-TPA, (e) MC6Cz-9-NPC的AFM形貌；

f-J)不同HTM上钙钛矿的AFM形貌；

k-o)不同HTM上钙钛矿的SEM形貌；

图5电池的光电性能表征

a）正扫时，不同HTM上钙钛矿电池的J-V曲线；

b）正扫时，不同HTM上钙钛矿电池暗曲线；

c）正扫时，不同HTM上钙钛矿电池的外量子效率（EQE）曲线；

d）柔性钙钛矿太阳能电池的J-V曲线；

【小结】

该研究将新型小分子HTM引入p-i-n平面钙钛矿太阳能电池中，电池性能显著提高。而且这些体二芳基芴类材料可以在不经过任何后处理过程的情况下进行溶液法制备，而且不需掺杂就有很高的传导性，更易从钙钛矿中抽取空穴。此外，在此基底上的钙钛矿薄膜具有晶粒大、致密的特点。这些优势也使电池的载流子损失少，效率更高。说明了新型小分子空穴传输材料在未来钙钛矿太阳能电池发展中的潜力。

文献链接：Diarylfluorene-based Nano-molecules as Dopant-Free Hole-transporting Materials without Post-treatment Process for Flexible p-i-n Type Perovskite Solar Cells（Nano Energy,2017,DIO:10.1016/j.nanoen.2018.01.005)

本文由材料人编辑部沈黎丽编译，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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