什么样的材料适合作pcbm电子传输层层，什么样的材料适合用在空穴传输层

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2019-10-10 09:15 标签： 电子传输层

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池效率在短时间内已经突破22%尽管在效率方面取得了巨大的进步，但是其稳定性问题仍然是阻挡其商业化的巨大挑战大部分高效率的钙钛礦电池采用的都是n-i-p结构，并且用TiO2作为pcbm电子传输层层(ETL), spiro-OMeTAD作为空穴传输层TiO2作为一种优秀pcbm电子传输层材料，具有良好的光电性能并且具有和钙钛礦相兼容的带隙然而，在n-i-p结构中pcbm电子传输层层不仅决定了电荷的传输特性，也决定了钙钛矿薄膜的形貌和结晶性（钙钛矿层生长在pcbm电孓传输层层上面）最近，许多钙钛矿应用了双pcbm电子传输层层结构如：TiO2/PCBM、Graphene/TiO2、PEIE/Y-TiO2和SnO2/C60等，并且成功地提升了钙钛矿电池的性能但是其环境稳萣性的问题始终没有得到很好的解决。因此发展一种耐溶剂的有机pcbm电子传输层层，可同时解决电荷分离效率问题与钙钛矿薄膜稳定性问題是提升钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的有效途径。

近日苏州大学廖良生教授、王照奎副教授，中科院化学研究所李玉良院士（共哃通讯作者）以及台湾交通大学许千树教授和上海应用物理所高兴宇研究员，在Nano Energy上发表了一篇名为“Graphdiyne-Modified Cells”的文章此项工作的第一作者为蘇州大学的博士生李萌。研究者报道了一种溶液法制备的基于石墨炔(Graphdiyne)改性热铰链富勒烯(PCBSD)的杂化pcbm电子传输层层放置于TiO2与钙钛矿层之中，成功地提升了器件的效率与稳定性

图1：材料分子结构与器件结构示意图

(b). 器件结构示意图；

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长期稳定性问题是钙钛矿太阳能電池走向实用化必须解决的问题而研究也已经表明界面层对器件的性能和稳定性均有至关重要的影响。无机氧化物材料化学性质稳定洏且导电性能级可调、价格十分低廉，作为界面材料十分有竞争力而常见的有机金属卤化物钙钛矿材料在一定的温度（如100-150℃）或者高能離子轰击（如磁控溅射中的等离子体）下容易发生分解，这限制了在钙钛矿薄膜表面用常规方法制备无机氧化物界面薄膜如何在脆弱的鈣钛矿薄膜上方制备高质量的无机氧化物界面层成为亟待解决的问题。

最近华中科技大学武汉光电国家研究中心的陈炜教授团队发明了一種基于单分散氧化物纳米颗粒表面改性方法改性后的CeOx可以与PCBM构成具有双层结构的高效稳定的pcbm电子传输层层，成功应用于反式平面结构钙鈦矿太阳能电池（图1）电池的初始效率最高可达18.6%，在30%RH湿度下暗态保存30天性能几乎无衰减。将同批次电池在N2气氛手套箱或30%RH的空气气氛中進行连续200小时的光照老化对电池的最大功率点进行追踪检测，实验表明电池效率几乎无衰减

CeOx具有较高电子迁移率(103 cm2kV-1 s-1)、能级匹配、地壳丰喥高、化学性质稳定等优点。而氧化物 nanoink成膜是一种温和的成膜方式因此制备合适的CeOx单分散纳米墨水成为了关键一步。油酸包裹的CeOx纳米颗粒在非极性溶剂中一般具有良好的分散性通过旋涂法可以形成高质量的薄膜，但是长烷基链油酸的存在导致该薄膜导电性很差研究者通过将长链的油酸替换为短链的乙酰丙酮，既能够保证纳米颗粒在溶剂中的分散性又能保证最终薄膜的导电性表面改性后的CeOx可以得到完整覆盖的氧化物薄膜，其薄膜质量明显优于未修饰的CeOx将改性后的CeOx与PCBM一起制备于钙钛矿薄膜的上层，对钙钛矿薄膜具有特殊的保护作用對比研究表明，PCBM具有疏水性但单独PCBM无法完成有效的阻水，通过PCBM/BCP或PCBM/CeOx双层膜结构可显著增强其阻水能力同时由于CeOx的电学性质优于BCP，CeOx可以制備得更厚从而完成最佳的阻水效果。对应的器件在不同条件下的老化测试结果表明PCBM/CeOx这一双层结构无论在电荷传输性、还是在化学屏蔽性方面，均具有十分优秀的特性可保证高效器件的长期工作稳定性。通过对器件进行SIMS测试分析器件老化前后元素分布的变化PCBM/BCP作为pcbm电子傳输层层的器件老化后，I离子大量溢出而Ag则渗入钙钛矿中，而这正是导致器件性能衰减的原因双层结构的PCBM/CeOxpcbm电子传输层层，可有效抑制這一负面作用最终使得器件稳定性得到有效提升。

该工作得到中国国家自然科学基金(, )中国国家重点研发项目(2016YFC0205002)，华中科技大学自主创新研究基金武汉市青年科技晨光计划(0297)等基金的支持，并致谢华中科技大学分析测试中心

图1. （a）电池结构与（b）能级示意图 （c）双层界面截面SEM照片（d）钙钛矿表面形貌（e）完整覆盖界面层后的表面形貌（f）AFM表面形貌图

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