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《Energy and Environmental Sciences (IF 39.714)》韩国UNIST蔚山科学技术研究院Jangwon Seo教授团队研究:烷基銨離子液体作为洞传输层掺杂剂,实现高效稳定钙钛矿太阳电池

重点摘要

Jangwon Seo教授团队研究发现:

  1. 研究人员开发了烷基銨離子液体作为洞传输层掺杂剂,可同时实现对钙钛矿太阳能电池的掺杂和表面钝化。
  2. 其中辛銨双(三氟甲磺酰)咪唑離子液体(OATFSI)效果最佳。
  3. 基于OATFSI的钙钛矿太阳能电池效率可达23.34%,验证具可扩展性。

研究背景

Jangwon Seo教授团队指出,在n-i-p结构的先进钙钛矿太阳能电池中,掺杂洞传输层(HTL)的掺杂剂是关键组成部分,它不仅会影响HTL的电性能,也会影响太阳能电池的性能和稳定性。本研究报告新型的双功能离子液体作为掺杂剂和表面钝化剂,以提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。

研究成果

Jangwon Seo教授团队合成了一系列烷基銨双(三氟甲磺酰)咪唑離子液体,包括丁銨(BATFSI)、己銨(HATFSI)、辛銨(OATFSI)和癸銨(DATFSI)等。其中OATFSI与聚(三芳胺)溶液具有良好的相溶性,可以形成较平滑的HTL薄膜,并通过有效掺杂提升HTL的电性能。同时,OATFSI可以在旋涂沉积HTL时原位钝化钙钛矿表面。基于OATFSI的钙钛矿太阳能电池效率可达23.34%,原因是非辐射重组明显降低,并具有更好的charge extraction。

研究方法

  1. 合成烷基銨離子液体:研究人员通过烷基銨盐与双(三氟甲磺酰)咪唑的化学反应合成得到不同烷基銨離子液体。
  2. 制备太阳能电池:在玻璃基板上依次沉积钛氧化物致密层、钛氧化物纳米粒子层、钙钛矿活性层、含离子液体的聚(三芳胺) HTL、镀金电极,即完成n-i-p结构太阳能电池。
  3. 表征方法:使用X射线衍射、紫外可见吸收光谱、热重分析等方法表征离子液体材料。扫描电子显微镜、空间电容-电压曲线用于研究太阳能电池的形貌与能隙。照明下曲线跟踪器测量太阳能电池的转换效率。

结论

韩国UNIST蔚山科学技术研究院Jangwon Seo教授团队总结,本研究开发的烷基銨離子液体既可高效掺杂聚(三芳胺) HTL,也可原位钝化钙钛矿表面,是钙钛矿太阳能电池领域一大创新。特别是OATFSI效果最佳,实现了23.34%的高效率。大面积模块的验证表明具可扩展性。本研究为商业化钙钛矿太阳能电池提供了有用的指导方针。

图S5. (a)钙钛矿、PTAA在有或没有各种掺杂剂情况下的UPS谱,(b)在有或没有OATFSI情况下PTAA能级的变化,(c)钙钛矿和掺LiTFSI+tBP或OATFSI的PTAA的能级匹配。

图S6. (a)纯PTAA薄膜(以10 mg ml−1的PTAA溶液在甲苯中制备)和纯OATFSI溶液(9.75 mM OATFSI在甲苯中)的紫外可见吸收谱,(b)掺LiTFSI+tBP的PTAA薄膜和(c-e)掺不同浓度OATFSI的PTAA薄膜在照明下的紫外可见吸收谱变化。

图S7. (a)短路电流密度、(b)填充因子和(c)功率转换效率箱式图(中线:中位数,方框限制:上下四分位数,须:1.5×四分位距,点:异常值)的使用不同浓度OATFSI的钙钛矿太阳能电池。

图S8. (a)纯钙钛矿层和剥离掺9.75 mM OATFSI的PTAA薄膜后的钙钛矿层的XPS谱,(b-c)详细的拟合曲线。

图S11. 覆盖有掺LiTFSI+tBP的PTAA的钙钛矿的PL瞬态曲线。

图S13. 基于CBD SnO2的钙钛矿太阳能电池的J-V曲线。

图S14. 使用相同浓度不同烷基链长的烷基銨TFSI和商业离子液体掺杂剂的钙钛矿太阳能电池的J-V曲线。

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