港城大朱宗龙团队：新型ETM助力倒置PSCs效率突破25%

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因低成本、高PCE和低温制造等优势成为光伏研究焦点。近期PCE已超26%，展现商业化潜力。倒置钙钛矿太阳能电池PSCs因成本效益高、适用于大规模印刷而受青睐。其中，电子传输材料（ETM）在电子收集、缺陷缓解和保护钙钛矿层方面至关重要。倒置钙钛矿太阳能电池PSCs中常用的ETL材料C60需要耗时昂贵的热蒸发沉积，不利于大规模生产。为解决此问题，我们设计了创新的溶液可加工ETM，将非富勒烯受体片段嫁接到C60上。BTPC60表现出优异的溶液加工性能和分子堆栈，形成高电子迁移率的均匀有序薄膜。

于2024年9月11日 Angewandte(DOI: 10.1002/anie.202412819)，由香港城市大学朱宗龙等团队发表中，介绍了新型溶液可加工电子传输材料BTPC60，由C60和非富勒烯受体片段组成。BTPC60具有优异的溶液加工性和有序分子堆栈，形成高电子迁移率薄膜。应用于倒置钙钛矿太阳能电池（PSCs）时，BTPC60提高了电子提取效率并抑制非辐射复合。

基于BTPC60的钙钛矿太阳能电池PSCs实现了25.3%的功率转换效率（PCE），在85℃下1500小时老化后仍保持90%初始值。BTPC60的电子传输层（ETL）具有优异的厚度容忍度，200 nm厚度下仍维持高PCE。

表S2. 基于代表性溶液处理的逆转PSCs的器件性能

新型富勒烯衍生物BTPC60优化手法

BTPC60作为倒置钙钛矿太阳能电池PSCs的ETL，增强了电子提取效率，并有效钝化界面缺陷。在氮气环境中85°C、1500小时老化后，基于BTPC60的PSCs仍保持25.3%的高PCE和90%初始值。BTPC60 ETL还具有优异的膜厚容忍度，200nm厚度下PCE达24.8%。研究结果表明BTPC60是具前景的溶液可加工富勒烯基ETM，为提高高效稳定倒置型PSCs的可扩展性提供新方案。

然而，常用ETM材料C60需要昂贵的热蒸发加工，且易凝聚，难以大规模生产。

研究人员致力开发溶液处理富勒烯衍生物或非富勒烯受体（NFAs）作为ETMs。但即使最佳可溶解富勒烯如PC61BM，也存在光化学稳定性差和易聚集等问题，影响电子传输和器件寿命。

本研究提出创新方案，将NFA片段嫁接到C60上，设计出新型富勒烯衍生物BTPC60。此设计打破C60紧密排列，增强富勒烯和NFA相互作用，形成分子排列，改善薄膜形貌和电子传输性能。BTPC60还具有良好能级对齐和缺陷钝化效果。

以下为透过论文及补充资料所汇整出的研究手法说明:

1. 材料合成与溶液加工技术：

• 开发了一种新的溶液可加工电子传输材料（ETM）其合成为具有特定结构的富勒烯衍生物称BTPC60，结合了C60和非富勒烯受体片段。通过核磁共振（NMR）、质谱（MS）等手段进行结构表征。

• 将非富勒烯受体片段嫁接到C60上，这种设计可以破坏C60笼子的紧密排列，改善膜的形态和电子传输性能。

o    合成过程中通过核磁共振（NMR）、质谱（MS）等手段进行结构表征。

1. 太阳能电池制备：

• 使用ITO导电基板，经过清洁和UV-ozone处理。

• 制备钙钛矿前驱体溶液，并通过旋涂和反溶剂滴加技术制备钙钛矿薄膜。

• 旋涂BTPC60作为电子输运层（ETL），以及热蒸发BCP和银作为顶部电极。

• 研究表明，BTPC60能够形成均匀且结构有序的薄膜，这种薄膜具有高电子迁移率，对于提高太阳能电池的效率至关重要。

2. 器件表征与性能测试：

• 使用XRD分析钙钛矿薄膜的晶体结构。
        

• 使用SEM和AFM观察薄膜表面形态。

• 使用EQE系统测量外部量子效率。

·         使用Xenon灯太阳仿真器测量J-V曲线，评估太阳能电池的光电转换效率。

正向扫描：

• 短路电流密度 (JSC)：25.4 mA/cm2

• 开路电压 (VOC)：1.17 V

• 填充因子 (FF)：83.7%

• 功率转换效率 (PCE)：24.9%

反向扫描：

• 短路电流密度 (JSC)：25.5 mA/cm2

• 开路电压 (VOC)：1.18 V

• 填充因子 (FF)：84.0%

• 功率转换效率 (PCE)：25.3%

• 进行热稳定性测试，评估器件在85℃下的稳定性。

     研究团队使用光焱科技AM1.5G 太阳光模拟器及QE-R量子效率解决方案，上图为设备示意图。

1. 理论计算与模拟：

• 使用密度泛函理论（DFT）计算BTPC60分子的几何优化、振动频率和静电势表面。

• 使用分子动力学（MD）模拟BTPC60薄膜的分子堆栈行为。

2. 电学性能测量：

• 使用空间电荷限制电流（SCLC）测量电子迁移率和缺陷密度。

• 使用循环伏安法（CV）测量材料的氧化还原电位。

3. 光学性能测量：

• 使用紫外-可见-近红外吸收光谱（UV-vis-NIR）测量材料的吸收特性。

• 使用时间分辨光致发光（TRPL）测量材料的载流子寿命。

富勒烯衍生ETM有效突破PCE>25.3%

研究团队报告了一种新颖的溶液法制备的富勒烯衍生的ETM（BTPC60），通过将Y6型NFA片段嫁接到C60笼上。NFA片段的引入引发了强大而特定的C60-NFA和NFA-NFA分子间相互作用，有效抑制了C60笼的自聚集，并促进了薄膜状态中有序堆叠，从而导致出色的溶解性、加工性和高电子迁移率。此外，当作为倒置式PSCs中的ETM时，BTPC60还表现出合适的能级、强大的钝化能力和良好的与钙钛矿的界面接触。因此，利用溶液法制备的BTPC60的器件实现了高达25.3%的PCE，并在85°C的N2环境下经过1500小时后保持了将近90%的初始效率。此外，由于其出色的溶液加工性和薄膜状态中的有序分子堆叠，基于BTPC60的器件表现出显着的厚度容忍度，甚至在厚度达到200 nm时也实现了24.8%的高效率。并有

这项研究提出了一种针对高效和稳定的倒置钙钛矿太阳能电池PSCs的溶液加工ETMs的有效分子设计策略。此外，考虑到BTPC60的相对复杂合成，迫切需要研究低成本和高效的溶液加工ETMs，进而可推动钙钛矿太阳能电池PSCs的大规模商业化。

文献参考自Angewandte Sep.11 2024_Doi:10.1002/anie.202412819

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