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内容

韩国蔚山科学技术院 (UNIST) Changduk Yang 教授团队:氟化 Spiro-OMeTAD 异构体助高效稳定的钙钛矿太阳能电池效率达 24.64%

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摘要

韩国蔚山科学技术院 (UNIST) Sang Kyu Kwak 教授和 Changduk Yang 教授团队在 Science 期刊发表最新研究成果,开发出两种氟化 Spiro-OMeTAD 异构体 (Spiro-mF Spiro-oF) 作为空穴传输材料 (HTM),用于制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池 (PSCs)。基于 Spiro-mF 的器件实现了 24.82% 的高效率 (认证效率 24.64%),电压损失仅为 0.3 V,并在高湿度环境下展现出优异的长期稳定性。 

研究背景

近年来,钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 因其高效率、低成本等优势,成为光伏领域的研究热点。PSCs 的效率不断攀升,认证效率已超过 25%。然而,PSCs 的长期稳定性仍然是制约其商业化应用的关键瓶颈。 

目前应用最广泛的 PSCs 空穴传输材料 (HTM) Spiro-OMeTADSpiro-OMeTAD 需要掺杂才能实现高效的空穴提取和足够的电导率,但常用的掺杂剂具有吸湿性,会影响器件的稳定性。因此,开发新型 HTM 材料,特别是具有高效率和良好稳定性的无掺杂 HTM,对于推动 PSCs 的商业化应用至关重要。 

研究方法

该研究采用分子设计策略,通过氟化 Spiro-OMeTAD 合成了两种新型 HTM 材料:Spiro-mF Spiro-oF。研究人员利用核磁共振光谱 (NMR)、差示扫描量热法 (DSC)、紫外可见吸收光谱、循环伏安法 (CV)、密度泛函理论 (DFT) 计算等手段对 Spiro-mF Spiro-oF 的分子结构、光电性质和能级结构进行了表征。 

随后,研究人员制备了基于 Spiro-OMeTADSpiro-mF Spiro-oF PSCs,并利用太阳光仿真器、量子效率测试系统、稳态/时间分辨光致发光光谱仪、电化学阻抗谱仪等设备对器件的性能进行了测试。此外,研究人员还利用分子动力学 (MD) 模拟研究了 Spiro-mF Spiro-oF 在钙钛矿表面的吸附行为。 

FigS17UNIST

研究结果与讨论

研究结果表明,氟化可以降低 Spiro-OMeTAD HOMO LUMO 能级,并拓宽其光学带隙,有利于提高器件的开路电压 (Voc) 和短路电流密度 (Jsc)。此外,氟化还能增强 HTM 的疏水性,提高器件的耐湿性。

基于 Spiro-mF PSCs 实现了 24.82% 的高效率 (认证效率 24.64%),电压损失仅为 0.3 V,是目前报导的 PSCs 中最低的电压损失。这表明 Spiro-mF 能够有效地提取空穴并抑制非辐射复合。 

此外,Spiro-mF 基器件还展现出优异的稳定性。在 50% 相对湿度环境下,未封装的 Spiro-mF 基器件在 500 小时后仍能保持 87% 的初始效率,而 Spiro-OMeTAD 基器件的效率则下降到 60% 

分子动力学模拟结果表明,Spiro-mF Spiro-oF Spiro-OMeTAD 更容易吸附在钙钛矿表面,并且其芴单元更容易与钙钛矿表面接触。Spiro-mF 在钙钛矿表面形成层状堆积结构,空穴传输积分更高,更有利于空穴传输。 

结论与展望

该研究开发的氟化 Spiro-OMeTAD 异构体为制备高效稳定的 PSCs 提供了一种很有前景的策略。Spiro-mF 基器件展现出优异的效率和稳定性,并具有较低的电压损失,为 PSCs 的产业化应用提供了新的思路。

未来,可以通过进一步优化材料设计和器件结构,例如: 

探索其他氟化位点和氟原子数量对 HTM 性能的影响。 

开发新型无掺杂 HTM 材料,进一步提高器件稳定性。 

优化钙钛矿/HTM 界面,提高电荷提取效率和抑制界面复合。 

相信随着研究的深入,PSCs 的性能将会进一步提升,其商业化应用前景也将更加光明。 

Reference

Science, published: 25 Sep 2020, Vol 369, Issue 6511, pp. 1615-1620 

DOI: 10.1126/science.abb7167 

https://doi.org/10.1126/science.abb7167 

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