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学术前沿
PAPER
n-i-p型钙钛矿太阳能电池（PSCs），使用低成本的锡氧化物作为电子传输层，目前在热稳定性和操作耐久性方面面临重大挑战。杂化钙钛矿在暴露于热或湿气时倾向于分解，强烈的局部电场可以诱导离子迁移。
浙江大学Niansheng Xu & Yaohang Cai & 王鹏教授直接芳基化聚合反应合成了三种具有不同取代基的三苯胺-乙二氧噻吩共聚物。这些共聚物的HOMO能级变化影响了空气氧化掺杂的程度和从钙钛矿的激子态中提取空穴的速率。这些共聚物展现了空穴密度依赖的迁移率和电导率。不同取代基的协同组合导致了更均匀的形态和增强的聚合物半导体复合膜的空穴迁移率。这些优势属性显著提高了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。
实验结果表明，使用p-TPA3Me-E-TPAOOD-E作为空穴传输层的PSCs实现了25.4%的平均功率转换效率，超过了在相同条件下使用spiro-OMeTAD（24.1%）、PTAA（20.5%）、p-TPA3Me-E（23.2%）和p-TPAOOD-E（23.3%）的电池。此外，在85°C的热储存和45°C的操作条件下，基于p-TPA3Me-E-TPAOOD-E的电池展现出了优异的稳定性。
图1：（A）四种三苯胺基聚合物半导体的化学结构。（B）最高占据分子轨道的等值线图。为了计算效率，2-octyldodecyloxy基团被乙氧基替代。等值线：0.02。
图2：（A）钙钛矿太阳能电池中各种材料的能量图。彩色条下方和上方的数字分别代表价带边（HOMO）和导带边（LUMO）的能量水平。ITO和金的工作函数也已标示。（B）从紫外光电子能谱获得的空穴密度（p）与HOMO能级（EUPS H）的半对数图。灰色实线表示线性拟合。（C）FAPbI3薄膜覆盖p型有机半导体的光诱导电子过程的示意图。（D）空穴提取速率常数（khe）作为驱动力（ΔG）的函数的半对数图，ΔG定义为FAPbI3的价带边与有机半导体的HOMO之间的能量差。灰色实线表示基于Marcus电子转移理论的非线性拟合。
图3：（A）电导率（σ）作为TBPH-HFSI重量百分比（x wt%）的函数，实线表示幂律拟合。（B-D）含不同TBPH-HFSI重量百分比的三苯胺-乙二氧噻吩基聚合物半导体膜的电子顺磁共振（EPR）谱。吸收强度的一阶导数（dI/dB）与磁场强度（B）作图。（E）空穴密度（p）作为TBPH-HFSI重量百分比的函数，实线表示线性拟合。（F）空穴迁移率（μp）与p的对数图，实线作为引导线。（G和H）p型有机半导体中空穴传输的示意图，通过热激活跃迁，其中红色球体代表深陷阱中的空穴，紫色球体通过多重捕获（蓝色）和脱陷阱（绿色）过程传输空穴。
图4：（A）在模拟AM1.5G辐射下，使用不同空穴传输层的代表性电池的反向光电流密度-电压（J-V）曲线。（B）在AM1.5G照射下，代表性p-TPA3Me-E-TPAOOD-E电池的稳态光电流密度（J）和功率转换效率（PCE）输出。（C）外部量子效率（EQE）谱。（D）作为注入电流密度（J）函数的电致发光外部量子效率（EQEEL）图。（E）p-TPA3Me-E-TPAOOD-E电池的EQE与波长（λ）的一阶导数谱。810 nm处的锐峰可用于计算FAPbI3层的光学带隙（1.53 eV）。（F）开路电压（VOC）与非辐射复合VOC损失（ΔVnr_OC）之间的关系。灰色实线表示线性拟合。（G）钙钛矿太阳能电池中FAPbI3层的扫描电子显微镜图像。比例尺：5 μm。图像在去除封装材料、金电极和空穴传输层后拍摄。（H-L）钙钛矿太阳能电池中空穴传输层的扫描电子显微镜图像。比例尺：1 μm。图像在去除封装材料和金电极后拍摄。
图5：（A）在85°C老化过程中，不同空穴传输层的太阳能电池功率转换效率（PCE）的变化（ISOS-D-2）。（B）在85°C老化1000小时前后，电池在100 mW cm−2模拟AM1.5G辐射下反向扫描光电流密度-电压（J-V）曲线。（C）未老化和老化电池的外部量子效率（EQE）谱。（D）去除封装材料和金电极后，未老化和老化电池的电子吸收谱。（E和F）使用670 nm激发波长的810 nm处未老化和老化电池的时间分辨光致发光轨迹。（G和H）老化电池中空穴传输层的顶视扫描电子显微镜图像。比例尺：1 μm。在成像前去除了封装材料和金电极。
图6：（A-C）在模拟AM1.5G辐射下，最大功率点（MPP）下的光伏参数跟踪：（A）MPP效率（ηMPP）；（B）MPP处的光电流密度（JMPP）；（C）MPP处的光电压（VMPP）。（D和E）在MPP跟踪期间间歇测量的J-V曲线拟合得到的串联电阻（Rs）和漏电电阻（Rsh）。（F）在45°C下，从分子动力学模拟得到的空穴传输层中的离子扩散系数（D）。返回搜狐，查看更多
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