又一篇Nature!钙钛矿太阳能电池研究进展

在钙钛矿太阳能电池中,掺杂有机半导体常被用作光敏层和电极之间的电荷提取中间层。空穴导电层中最常用的半导体是π-共轭小分子2,2′,7,7′-四基(spiro-OMeTAD),它的电性能直接决定着太阳能电池的电荷收集效率。为了提高该半导体的电导率,最常采用的方法是双(三氟甲烷)磺酰亚胺锂(LiTFSI)掺杂,但这种方法耗时较长且受环境影响也较大。作者报告了一种快速且可重复的掺杂方法,该方法涉及在紫外光下用CO2鼓泡spiro-OMeTAD:LiTFSI溶液。CO2从光激发的spiro-OMeTAD获得电子,迅速促进其p型掺杂并产生碳酸盐沉淀。经过CO2处理的中间层的电导率比原始中间层高约100倍,同时无需任何后处理即可得到稳定、高效的钙钛矿太阳能电池。

本文亮点

  1. 本工作开发了一种CO2预掺杂spiro-OMeTAD的方法,比传统的掺杂方法更为高效且不会产生有害物质。
  2. 本工作合成的CO2预掺杂中间层的电导率比原始中间层高约100倍,同时无需任何后处理即可得到稳定、高效的钙钛矿太阳能电池。

图文解析

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▲图1. 空穴导电材料的气体辅助掺杂及反应产物的光学性质

要点:
1、传统的钙钛矿太阳能电池包含一个夹在电子和空穴传输层之间的活性钙钛矿层,直接决定着电荷的传导速率。
2、含O2的溶液表现出相对较弱的极化子吸收峰,其中心约为500 nm和1600 nm,从光致发光数据中观察到通过电荷转移共振能量转移引起的极化子激子猝灭,因此,作者得出,与O2鼓泡溶液相比,CO2鼓泡溶液中存在更多的spiro-OMeTAD分子。

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▲图2. 纯相和掺杂spiro-OMeTAD的电子结构,以及CO2辅助掺杂过程中产生的沉淀物分析

要点:
1、密度泛函理论(DFT)计算表明,在实验吸收光谱中观察到的新峰归因于从较低能级到单占据分子轨道(极化子态P+)的光跃迁。
2、由于spiro-OMeTAD••2+双自由基指示剂可以氧化中性spiro-OMeTAD分子,所以大部分双氧化的物质会被还原,产生2mol%的spiro-OMeTAD•+。
3、作者估计在CO2鼓泡过程中会生成5.7 mol%的spiro-OMeTAD••2+,因此,大部分的反应产物将是单一的氧化物。
4、作者提出反应速率很大程度上与反应物浓度有关,因此CO2的高掺杂效率可以归因于CO2的高溶解度。
5、x射线光电子能谱(XPS)测量表明,析出物中含有Li2CO3(结合能55ev)的Li 1s XPS谱。
6、在较低温度区域(250-500°C)观察到的CO2演化很可能是由于沉淀物中残留的有机反应物和/或产物的分解,通过将生成的产物与纯Li2CO3进行比较,作者确定在较高温度范围(700-850°C)观察到的CO2演化可能是Li2CO3产物分解的结果。

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▲图3. 纯相和掺杂空穴导体的钙钛矿太阳能电池的性能

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▲图4. 纯相和CO2掺杂聚合物中间层钙钛矿太阳能电池的性能

要点:
1、作者合成的CO2掺杂空穴导体和聚合物中间层比纯相具有更好的性能。
2、经过CO2处理的聚合物中间层的电导率比原始中间层高约100倍,同时无需任何后处理即可得到稳定、高效的钙钛矿太阳能电池。
3、CO2通过获得电子使半导体迅速氧化;然后带负电荷的二氧化碳气体与锂离子反应,形成碳酸盐,在使用前可以很容易地过滤掉,不会产生有害物质影响太阳能电池的性能。

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