中国科学院化学研究所李永舫院士/孟磊研究员课题组采用了基于喹喔啉的D-A共聚物材料PBQ6作为n-i-p结构钙钛矿太阳能电池的非掺杂空穴传输层，得益于此聚合物材料较高的空穴迁移率以及与钙钛矿活性层匹配的HOMO能级，实现了22.6%的高能量转换效率，这也是目前所报道的无掺杂聚合物空穴传输层材料的最高效率之一。此外， PBQ6空穴传输层兼具高性能与高稳定性，有望助力于钙钛矿太阳能电池的产业化。
给电子单元-受电子单元（D-A）共聚策略已被广泛应用于构筑有机太阳能电池中的高性能聚合物给体光伏材料。此前，中国科学院化学研究所李永舫课题组设计合成了一系列基于带噻吩共轭侧链的苯并二噻吩（BDTT）D-单元和二氟取代喹喔啉（DFQ）A-单元的宽带隙D-A共聚物给体PBQ10（Chem. Mater., 2020, 32, 3254–3261），PBQ5和PBQ6（Adv. Mater., 2021, 33, 2100474）。其中，基于PBQ6:Y6的有机太阳能电池达到了17.62％的高能量转换效率（PCE）。本研究中，他们把喹喔啉系列D-A共聚物材料（PBQ5，PBQ6和PBQ10，分子结构见图1a）作为空穴传输层材料运用于n-i-p结构钙钛矿太阳能电池中。聚合物 PBQ5，PBQ6，PBQ10薄膜的空穴迁移率分别为2.2×10−4, 4.6×10−4和1.3×10−4 cm2 V−1 s−1。其中，PBQ6更高的空穴迁移率得益于其更优化的分子自组装特性以及结晶性。同时PBQ6的HOMO能级（−5.43 eV）与钙钛矿活性层拥有优良的能级匹配（图1c）。
图1 喹喔啉系列D-A共聚物材料分子结构及性能
在n-i-p结构的钙钛矿太阳能电池中（图2a），利用聚合物PBQ5，PBQ6，PBQ10和PTAA作为空穴传输层制备得到的器件的光电转换效率分别为20.8%，22.6%，19.7%和18.5%（图2b）。其中，基于PBQ6的钙钛矿太阳能电池22.6%的高效率得益于其高的开路电压（1.13 V）和高的填充因子（80.8%），这源于PBQ6与钙钛矿层之间更好的能级匹配以及PBQ6自身优良的空穴传输性能。此外，他们还通过大面积刀片刮涂的形式制备得到了具有21%以上能量转化效率的大面积钙钛矿太阳能电池（图2d），进一步证实了聚合物传输层优良的大面积刮涂加工特性。
图2 利用聚合物PBQ5，PBQ6，PBQ10和PTAA作为空穴传输层制备所得器件的结构与光伏性能
稳态荧光光谱分析（图3a）表明，基于PBQ6作为空穴传输层的钙钛矿薄膜在800 nm附近有着最小的稳态荧光光谱峰，表明PBQ6具有更优异的载流子抽取能力。瞬态荧光光谱分析（图3b）也表明了基于PBQ6作为传输层的钙钛矿薄膜有着更短的荧光寿命，与稳态荧光光谱分析有着一致的结果。他们同时也通过瞬态光电流分析发现，PBQ5，PBQ6，PBQ10和PTAA 的载流子寿命分别为0.72, 0.62, 1.20 和1.10 µs（图3c），变光强测试（图3d）所得到的理想因子分别为1.52，1.28，1.38，1.41。这些结果都表明PBQ6相较于其他的聚合物空穴传输层而言，拥有更好的载流子传输特性以及更少的载流子复合。
图3 基于PBQ6的钙钛矿薄膜的稳态荧光光谱分析、瞬态荧光光谱分析、瞬态光电流分析和变光强测试
另外，在得到高效钙钛矿太阳能电池的同时，器件稳定性也得到了全面提升（图4）。在具有一定湿度的室内环境中存放一个月，未发现有明显的器件性能衰减；在85 ºC的持续加热条件下，器件能够保持93%以上的原始效率；在光照条件下一个月后，器件能够保持97%以上的原始效率。相较于传统的Spiro-OMeTAD空穴传输层，基于新型聚合物传输层PBQ6的钙钛矿太阳能电池的稳定性得到了巨大的提升。
图4 钙钛矿太阳能电池的稳定性测试
该工作最近发表于SCIENCE CHINA Chemistry，论文第一作者中科院化学所博士生卢晨星，共同第一作者博士生朱灿，共同通讯作者为中科院化学所李永舫院士和孟磊研究员。详见：Lu C, Zhu C, Meng L, Sun C, Lai W, Qin S, Zhang J, Huang W, Du J, Wang Y, Li Y. Stable perovskite solar cells with efficiency of 22.6% via quinoxaline-based polymeric hole transport material. Sci. China Chem., 2021, 64, https://doi.org/10.1007/s11426-021-1084-y。本文将收录在"2021 Emerging Investigator Issue"中。https://www.sciengine.com/publisher/scp/journal/SCC/doi/10.1007/s11426-021-1084-y?slug=fulltext
上一篇： 吉大张晓安教授团队《Adv. sci.》：多组分协同互助，分步可控的着色策略-实现高性能光响应变色材料
下一篇： 昆士兰大学王连洲团队《Adv. Mater.》：钙钛矿量子点的表面化学工程：策略、应用及展望
