《Science(IF>63.832)》LinXole AB 高峰團隊-高效穩定的鈣鈦礦太陽電池-實現了超過25%的高轉換效率,並顯著提升了器件在熱和光照條件下的穩定性
重點摘要
- 研究團隊為鈣鈦礦太陽電池中的洞傳輸層spiro-OMeTAD開發創新掺雜方法,使用穩定的有機自由基作為掺雜劑,並配合離子鹽調節工函數。
- 這種離子調控的自由基掺雜策略實現了超過25%的高轉換效率,顯著改善裝置穩定性。
- 掺雜方法可分離調節導電率和工函數,為其他光電子器件優化提供靈感。
研究背景
鈣鈦礦太陽電池展現優異的光伏性能,快速成為熱門研究課題。鈣鈦礦太陽電池中常用的洞傳輸材料為2,2′,7,7′-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9,9′-螺二芴(spiro-OMeTAD)。Spiro-OMeTAD需掺雜以達到足夠導電率和適當工函數。但是傳統的鋰鹽和4-叔丁基吡啶掺雜需要耗時氧化反應,也降低器件穩定性。因此研究者尋求開發新掺雜策略以提高效率與穩定性。
研究成果
研究團隊提出創新掺雜策略,使用穩定的有機自由基作為掺雜劑,配合離子鹽調節工函數,避免冗長氧化過程。他們選擇二聚體自由基前體 DBP-TAA,可快速在 spiro-OMeTAD 中轉換為穩定單聚體自由基 DBP-TAA ̇。該自由基產生極化電荷載流子即時增加導電率和工函數。添加的鋰鹽等離子鹽可進一步調節工函數至期望值。
研究方法
- 合成二聚體自由基前體 DBP-TAA。
- 將 DBP-TAA 和離子鹽共同掺雜入 spiro-OMeTAD。離子鹽包括 Li-TFSI 等。
- 利用實時導電率量測和暫態吸收光譜監測掺雜過程。
- 製備掺雜 spiro-OMeTAD 作為洞傳輸層的鈣鈦礦太陽電池。
- 測量太陽電池的開路電壓、短路電流、填因子、轉換效率等。
- 在加速老化條件下測試電池長期穩定性。
這種離子調控的自由基掺雜策略實現超過 25% 轉換效率的鈣鈦礦太陽電池,顯著提高熱與光照應力下的穩定性。與傳統掺雜相比,此方法可快速有效提高 spiro-OMeTAD 的導電率和調節工函數。
結論
本研究為鈣鈦礦太陽電池的洞傳輸層 spiro-OMeTAD 開發創新掺雜策略,使用穩定的有機自由基掺雜劑配合離子鹽調控工函數,避免冗長氧化並改善器件穩定性。此方法為實現更高效、更穩定的鈣鈦礦太陽電池提供新見解,也可指導其他光電子器件開發。
圖1. 傳統和離子調控自由基掺雜策略鈣鈦礦太陽電池的比較。
(A)說明了傳統掺雜過程中spiro-OMeTAD的複雜動力學反應(上)和乾淨、瞬時的離子調控自由基掺雜策略(下)。自由基和離子鹽溶解在1,1,2,2-四氯乙烷中。(B)基於傳統掺雜、自由基掺雜和離子調控自由基掺雜的spiro-OMeTAD的鈣鈦礦太陽電池的電流密度-電壓曲線。(C)基於傳統掺雜和離子調控自由基掺雜的spiro-OMeTAD的鈣鈦礦太陽電池(氧化鈦電子傳輸層)的電流密度-電壓曲線。(D)和(E)基於傳統掺雜和離子調控自由基掺雜的spiro-OMeTAD的未封裝鈣鈦礦太陽電池功率轉換效率隨時間變化,在70 ± 5% 濕度(D)和70 ± 3°C 熱老化條件下(E)。误差棒表示標準差。
圖2. 自由基和離子鹽對導電率和能階的影響。
(A)和(B)僅含洞的器件的電流密度-電壓曲線(A)和掺不同濃度自由基的spiro-OMeTAD薄膜的導電率(B)。(B)中插圖顯示僅含洞的器件結構。(C)含14 mol%自由基和不同濃度TBMP+TFSI-的僅含洞的器件的電流密度-電壓曲線。插圖顯示導電率。(D)和(E)掺不同濃度自由基的spiro-OMeTAD薄膜的費米能階和HOMO(D),以及掺不同濃度TBMP+TFSI-(含14 mol%自由基)的spiro-OMeTAD薄膜的費米能階和HOMO(E)。誤差棒表示標準差。(F)說明了具有不同工作函數值的鈣鈦礦層和洞傳輸層之間的能帶匹配。
圖3. 離子調控自由基掺雜的分子層面機制。
(A)說明了spiro-OMeTAD•+TFSI-自由基的電荷轉移和掺雜機制。(B)未添加TBMP+TFSI-的spiro-OMeTAD/spiro-OMeTAD•+TFSI-混合物(紅線;9~7.5 ppm範圍內d+e+f峰的放大視圖)和添加TBMP+TFSI-的spiro-OMeTAD/spiro-OMeTAD•+TFSI-混合物(藍線)在9到6.25 ppm範圍內的1H核磁共振光譜(芳香族質子訊號峰標記為b,c和d+e+f)。(C)添加和未添加TBMP+TFSI-的掺雜spiro-OMeTAD (14 mol%自由基)在低溫和室溫下的EPR訊號。(D) 中性spiro-OMeTAD、掺14 mol%自由基的spiro-OMeTAD薄膜和掺14 mol%自由基及20 mol% TBMP+TFSI-的spiro-OMeTAD薄膜的價帶邊緣的放大圖。(E)說明離子鹽在離子調控自由基掺雜策略框架下對工作函數調控的影響。(F)掺雜的spiro-OMeTAD(14 mol%自由基)添加和未添加TBMP+TFSI-時導電率隨溫度的變化。
圖4. 離子調控自由基掺雜策略的普適性。
(A)基於離子調控自由基掺雜策略的不同鈣鈦礦太陽電池的電流密度-電壓曲線。(B)本工作中使用的六種額外離子鹽的分子結構及其對掺雜的spiro-OMeTAD薄膜能階的影響。EDMPA為乙基二甲基丙基銨,PMPIm為3-甲基-1-丙基吡啶,BMIM為1-丙基-3-甲基咪唑。(C)基於掺雜的spiro-OMeTAD (14 mol%自由基)HTL,使用六種額外離子鹽的鈣鈦礦太陽電池的電流密度-電壓曲線。
