钙钛矿太阳电池用空穴传输材料的研究

有机无机钙钛矿具有优异的光电性能,目前基于该材料的钙钛矿太阳电池(PSC)的认证效率已经高达24.2%。然而目前高效的PSC基本都是以掺杂处理的Spiro-OMeTAD(掺入Li盐等)为空穴传输材料(HTM)的器件,这给电池成本控制和器件性能长期稳定性带来了不利影响。为替代Spiro-OMeTAD,我们首先将其分子结构中的多环的螺芴结构调整为单环的噻吩单元,在不明显损失电池效率的情况下,使HTM的材料成本大幅降低,同时,以该小分子为单体构建了聚合物,使得HTM的空穴迁移率提升到2-3倍,在不掺杂的条件下,光电转换效率效率提高到17.2%。接着,为进一步发挥聚合物主链的电荷传递作用,我们以噻吩和苯单环结构单元构建了共轭聚合物DTB。由于其出色的钙钛矿层缺陷钝化能力和光生空穴提取能力,在不掺杂的条件下,电池效率达到19.68%,第三方权威机构认证效率为19.50%,其短路电流密度更是达到了25.75 mA/cm2,是基于无掺杂有机HTM的世界最高水平。经过分子结构上的进一步改进,我们更是获得了20.19%的效率,是目前已知的首次报道就超过20%效率的首个无掺杂有机HTM(包括聚合物和小分子在内)。此外,我们还进一步使用无机材料来代替有机HTM,基于Cu_2O量子点HTM的电池获得了18.9%的效率。最近,我们使用"无机+有机"材料的双层HTM,更是将效率提高到了21.5%。在反型结构的PSC中,我们向经典的PEDOT:PSS中掺入水溶性的酞菁小分子,提高了HTM层的导电性,使电池的短路电流密度得到提高,进而使效率由16.47%提升到18.90%。但是由于PEDOT:PSS本身的掺杂属性(掺入了酸性的PSS),器件的稳定性并没有明显提升。为此,我们设计了水溶性的、无掺杂的共轭聚电解质材料TB(MA)来代替PEDOT:PSS。TB(MA)出色的缺陷钝化能力,致使PSC的各项光伏参数均得到提高,效率达到19.76%,是共轭聚电解质基PSC目前的世界最高效率,其器件稳定性也得到明显提升。