武漢大學方國家課題組在全無機鈣鈦礦光伏電池研究取得重要進展

2020-11-22 騰訊網

近期，武漢大學物理學院方國家教授課題組與吳奕初教授和香港中文大學路新慧教授課題組合作，在全無機鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)研究領域取得新進展。採用J71、PBDB-T、PM6等一系列無摻雜聚合物有機光伏給體材料作為空穴輸運材料，採用合適的能級和載流子輸運能力，構建了全新的全無機PSCs體系結構。

全無機鈣鈦礦CsPbX3 有優異的熱穩定性， 具有連續可調的寬帶隙（1.73〜2.3 eV），在半透明電池以及疊層太陽能電池等領域具有很好的應用潛力，吸引了廣泛的關注。但是，全無機鈣鈦礦太陽能電池在相穩定性方面以及光電轉換效率方面仍面臨挑戰。其中一個重要的原因就是缺乏與之匹配的空穴傳輸材料。當前主流的空穴傳輸材料（Spiro-OMeTAD）需要額外的精確摻雜和氧化過程，以提升空穴遷移率。這些摻雜材料的吸溼性以及不可避免的氧化過程又會加速全無機鈣鈦礦吸光層的相變，帶來嚴重的穩定性問題，使器件性能下降。此外，寬帶隙的全無機鈣鈦礦和Spiro-OMeTAD之間存在較大的價帶帶階，會造成很大的能量損失。

為了解決這些問題，本文採用J71、PBDB-T、PM6等一系列無摻雜聚合物有機光伏給體材料作為空穴輸運材料，採用合適的能級和載流子輸運能力，構建了全新的全無機PSCs體系結構。本工作在全無機鈣鈦礦體系中應用系列新型無摻雜的有機聚合物光伏材料（J71，PBDB-T，PM6）作為空穴傳輸層，這些材料具有優異的電荷傳輸性能和更合適的能級，能夠避免複雜的摻雜和空氣環境條件的氧化過程。基於PM6的全無機鈣鈦礦器件實現了17.05%的光電轉化效率，這是迄今為止基於無摻雜聚合物空穴傳輸材料的全無機鈣鈦礦太陽能電池的最高效率。進一步通過使用導電原子力顯微鏡（C-AFM）、掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）和開爾文探針顯微鏡（KPFM）測試技術，對材料分子微觀結構、電荷輸運機制和電勢分布等相關機理進行了深入的分析。

論文要點：1）實現了高達17.05%的PCE。這在基於無摻雜空穴傳輸層製備的全無機鈣鈦礦太陽能電池中效率是最高的；2）首次在鈣鈦礦太陽能電池中採用J71、PBDB-T、PM6等一系列無摻雜聚合物有機光伏給體材料作為空穴輸運材料，避免了複雜的摻雜和氧化過程造成器件不穩定。3）通過先進的掠入射廣角x射線散射(GIWAXS)分析，系統地研究了材料的分子堆積取向和結晶性等微觀結構，揭示了影響聚合物材料電荷輸運的隱藏機制。

近日，該工作以「Constructing Highly Efficient All-Inorganic Perovskite Solar Cells with Efficiency Exceeding 17% by Using Dopant-Free Polymeric Electron-Donor Materials」為題被國際著名刊物《納米能源》（Nano Energy）在線發表。論文第一署名單位是武漢大學物理科學與技術學院，博士生馬俊傑為第一作者，方國家教授、路新慧教授和吳奕初教授為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金、湖北省科技計劃資金的資助。

來源 新材料資訊、武漢大學物理科學與技術學院

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104933

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