钙钛矿太阳能电池中稳定的空穴传输

【导读】

具有高功率转换效率(PCEs)的金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)通常包含锂盐掺杂的有机空穴传输层(HTLs)，这可能会导致严重的器件不稳定性问题。例如，吸湿性锂盐会导致水分入侵，Li⁺离子迁移到钙钛矿中，以及不可逆的器件退化。无机HTLs和无掺杂剂HTLs在稳定性方面提供了巨大的增强，但未能与掺杂的HTLs竞争最有效的PSCs。

另一个稳定性问题来自钙钛矿的固有柔软性质，它允许挥发性碘化物成分进入电荷传输层。碘化物可以与HTLs中的正自由基相互作用，并导致空穴电导率和界面带排列迅速下降，特别是对于依赖掺杂有机HTLs的最有效PSCs。尽管碘化物阻挡屏障和界面工程是阻碍碘化物侵入的有效的策略，但这些方法是否可以完全阻断Li⁺迁移和碘化物侵入尚未报道。因此，非常需要找到一种可以在大量碘化物侵入下稳定空穴传输的无锂掺杂策略。

【成果掠影】

上海交通大学材料科学与工程学院的杨旭东课题组，报告了一种通过离子交换过程，离子耦合正聚合物自由基和分子阴离子来稳定有机层中空穴传输的解决方案策略。研究表明，目标层的空穴电导率是传统锂掺杂层的80倍。此外，在 85°C光浸泡200小时引起的极端碘化物侵入后，目标层依旧可以保持高的空穴电导率和良好匹配的能带排列。这种离子交换策略使钙钛矿太阳能电池的制造成为可能，其认证的功率转换效率为23.9%，在85°C的标准照明下1000小时后仍保持92%。相关论文以题为“Transporting holes stably under iodide invasion in efficient perovskite solar cells”发表在Science上。

【数据概况】

图1. 碘化物侵入下Li-HTL和HFDF-HTL的降解

图2. Li-HTL和HFDF-HTL的Li⁺和自由基含量及电荷传输特性

图3. 原始和不同掺杂HTL的空穴相关特性

图4. 具有Li-HTL或HFDF-HTL的PSC的结构、光伏性能和长期稳定性研究

【成果启示】

总之，本工作开发了一种无锂掺杂有机空穴传输层HTL(HFDF-HTL)，通过离子交换过程耦合正聚合物自由基和分子阴离子，从而即使在极端的碘化物侵入下依旧能够实现稳定的空穴传输。HFDF-HTL将空穴电导率提高到传统锂盐掺杂HTL的80倍，在HTL /钙钛矿异质结处具有良好的能级排列，并且在新鲜的HFDF-HTL上几分钟后实现了高电导率，而传统的锂盐掺杂方法通常需要几个小时或几天。此外，通过有机层的空穴传输能够承受高达120°C的温度下的热应力。这些结果帮助我们获得了高效且稳定的PSCs，其认证的PCE为23.9%，并在 AM1.5G太阳光(100 mW cm^-2)下在85°C下以最大功率点运行1000小时后保持 92%。

文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq6235