程明教授团队:缺陷钝化协同荧光共振能量转移构筑紫外稳定钙钛矿太阳电池

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▲第一作者:苗亚伟       

通讯作者:程明教授、陈承研究员          
通讯单位:江苏大学           
论文DOI:10.1016/j.cej.2021.131358   

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我们设计合成了新型双功能钝化剂小分子2,5-二(全氟苯基)噻唑并[5,4-d]噻唑(PFP2TTz),将其引入到钙钛矿前驱液,钝化薄膜中的缺陷,提高了钙钛矿薄膜质量。测试结果表明,PFP2TTz中的杂原子能够与未配位的铅相互作用,薄膜中的缺陷态密度显著降低。同时,PFP2TTz能够进行荧光共振能量转移,显著提升了薄膜在短波长区域响应。经过PFP2TTz处理的未封装器件的环境稳定性和紫外光稳定性明显提升。

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研究背景


近些年,钙钛矿太阳能电池光电转化效率获得了飞速提升,但器件稳定性问题阻碍着钙钛矿太阳能电池商业化进程。钙钛矿薄膜易在表面和晶界处形成缺陷,导致光伏性能低下。同时,钙钛矿材料对紫外光较为敏感,在紫外光照射下薄膜易被破坏,加速了钙钛矿太阳能电池(PSCs)的降解。因此,设计和开发有效的缺陷钝化和UV抑制剂对高效稳定的PSCs具有重要意义。

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研究出发点


总所周知,氟原子能够与钙钛矿组分中的氢原子形成较强的氢键,并且能够与铅原子形成较强的离子键,具有出色的缺陷钝化能力。此外,氮、硫原子具有孤对电子可以充当路易斯碱,钝化钙钛矿中的缺陷。

基于此,江苏大学程明教授团队设计了一种小分子材料2,5-二(全氟苯基)噻唑并[5,4-d]噻唑(PFP2TTz),并将其引入钙钛矿前驱体溶液中制备钙钛矿薄膜。研究表明,PFP2TTz是一种双功能添加剂,既可以钝化钙钛矿薄膜缺陷又能够进行荧光共振能量转移(FRET)。PFP2TTz的引入显著降低了钙钛矿薄膜的缺陷态密度。此外,通过FRET作用,短波长区域的光谱响应得到提升,紫外光照射下的器件稳定性进而显著增强。相应地,含有PFP2TTz的钙钛矿太阳能电池(PSCs)的光电转换效率(PCE)为21.38%,远高于对照组(19.27%)。同时,在相对湿度为45-55%的条件下,未封装的含有PFP2TTz的PSCs表现出优良的紫外、环境稳定性。
 
 
▲图1 (a) PFP2TTz 的分子结构和静电势;(b) 器件结构图;(c) PFP2TTz处理和对照组钙钛矿薄膜的Pb 4f XPS图;(d-e) PFP2TTz处理和对照组的钙钛矿薄膜的N 1s和F 1s XPS图

▲图2 (a) PFP2TTz与钙钛矿的紫外-可见重叠吸收,以及PFP2TTz的光致发光发射光谱; (c) IPCE图 

PFP2TTz能够吸收紫外段波长,且其荧光发射峰覆盖300-800 nm区域,这与钙钛矿的吸收峰完美重合,为荧光共振能量转移效应提供了基础。从IPCE图中可以明显观察到,经过PFP2TTz处理,薄膜在300-450 nm光响应能力明显增强。
 
▲图3 (a) 环境稳定性;(b) 从器件侧照射紫外稳定性;(c) 从玻璃侧照射紫外稳定性
 
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总结与展望


这项工作为多功能添加剂分子的设计和开发提供了一种有效策略。结合缺陷钝化和荧光共振能量转移效应,会有更理想的添加剂被设计、开发用以提升PSCs的效率和稳定性。
 
论文第一作者为江苏大学能源研究院的博士生苗亚伟,论文通讯作者为江苏大学能源研究院的程明教授和陈承研究员。

文章链接:
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131358


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