新材料學(xué)院在高效率、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池有機(jī)界面材料機(jī)理研究方面取得進(jìn)展
??? 新材料學(xué)院2020年7月21日訊，孟鴻教授課題組在國際知名期刊《先進(jìn)功能材料》（Adv. Funct. Mater. DOI：10.1002/adfm.202000837）上發(fā)表了題為：“Gaining Insight into the Effect of Organic Interface Layer on Suppressing Ion Migration Induced Interfacial Degradation in Perovskite Solar Cells”的研究論文，對有機(jī)界面材料抑制鈣鈦礦太陽能電池性能退化的機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。
圖1 基于NDI-BN的倒置型鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖，以及使用/未使用NDI-BN界面層的器件放置1000小時(shí)的J-V曲線對比。
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? ?近年來，鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的效率屢破新高，被認(rèn)為是最有可能從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)之一。然而鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性是其實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的最大阻礙，在影響PSCs穩(wěn)定性的眾多因素中，離子遷移引起的界面退化會(huì)加速鈣鈦礦層的降解，造成電極腐蝕，影響界面接觸，從而導(dǎo)致PSCs效率及穩(wěn)定性的降低。因此亟需對界面進(jìn)行改性，經(jīng)過多年來的研究，使用有機(jī)界面材料的PSCs取得了較高的效率，但是只有很少的報(bào)道提到了其提升穩(wěn)定性的作用，而且都是關(guān)于有機(jī)分子的疏水性阻礙水分滲透對猜測，背后的機(jī)理尚未得到解釋，例如，有機(jī)界面材料是如何影響離子遷移引起的界面退化的？什么樣的有機(jī)界面材料可以起到抑制界面退化從而提升穩(wěn)定性的作用？ ? ? ?
? ?北京大學(xué)深圳研究生院孟鴻課題組合成了一種萘酰亞胺基三齒含氮螯合物NDI-BN，作為有機(jī)陰極界面材料在倒置型結(jié)構(gòu)中取得了最高21.32%的效率，其中Voc=1.13 V，Jsc=23.61 mA/cm2，F(xiàn)F=79.93 %。作者研究了未封裝器件放置于30%濕度和20攝氏度的條件下的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)1000小時(shí)后不含NDI-BN的器件出現(xiàn)了與界面退化相關(guān)的明顯的“S”型J-V曲線，相反使用NDI-BN的器件未出現(xiàn)“S”型曲線并可以保持75 %的初始效率。為了系統(tǒng)地研究NDI-BN對界面退化的影響，作者首先通過XPS測試追蹤該界面處的碘離子，提供了使用NDI-BN作為界面層可以有效地抑制碘離子擴(kuò)散的直接證據(jù)，證實(shí)了NDI-BN改善界面退化的原因是抑制了離子的擴(kuò)散，更進(jìn)一步，作者從分子層面比較了PC61BM與NDI-BN排列模式的差異，球狀的PC61BM分子之間形成的空隙形成了離子擴(kuò)散的通道，相反，NDI-BN分子之間通過π–π堆積形成了緊密的face-to-edge交錯(cuò)排列模式，從而切斷了離子繼續(xù)向電極擴(kuò)散的路徑。同時(shí)，通過理論計(jì)算，模擬了鈣鈦礦降解產(chǎn)物(MAI)2分別與PC61BM分子簇和NDI-BN分子簇的結(jié)合能，發(fā)現(xiàn)NDI-BN分子有更大的結(jié)合能，說明(MAI)2進(jìn)入NDI-BN分子簇需要更高的能量，揭示了NDI-BN分子阻擋離子擴(kuò)散的內(nèi)在機(jī)理。
? ?基于這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)，作者展望了具有強(qiáng)物理相互作用力形成的緊密有序排列的有機(jī)界面材料，可以用于獲得高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池，為有機(jī)界面材料的分子設(shè)計(jì)提供了新思路。相關(guān)論文近日發(fā)表在Advanced Functional Materials (10.1002/adfm.202000837)上，第一作者為新材料學(xué)院博士研究生寧皎邑，助理研究員繆景生和孟鴻教授為該論文的共同通訊作者。
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