极化铁电聚合物应用于高效钙钛矿太阳能电池

yacoolulu · 发表于 2019-6-28 13:53:00

高性能钙钛矿太阳能电池是苏州大学廖良生教授、王照奎教授课题组的研究方向之一。近几年来该课题组基于以往从事有机光电器件和材料研究的经验，围绕有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池中的界面、钙钛矿薄膜晶化、铅的毒性等关键问题，开发了一系列高效、稳定的空穴和电子传输材料，在界面修饰的基础上，发展了多种钙钛矿薄膜晶化控制的新方法（水添加剂、界面诱导晶化、热铰链富勒烯掺杂、电场辅助晶化、二维材料钝化、柔性器件等），通过掺杂非铅金属元素调控钙钛矿薄膜的晶化取并实现降低铅使用量等多重目的。

近年来，有机无机杂化金属卤化物钙钛矿由于其优异的光电特性备受关注。但是，对于一个光伏器件来说，由光传输层内部和传输层界面的非辐射复合引起的能量损耗（Eloss）是不可避免的。尽可能的减少Eloss成为一个调控太阳能电池的性能有效的方法。通常，载流子的分离和运输效率主要受器件内部的内建电场（BIF）影响，它是引导载流子向两电极漂移的主要驱动力。如果BIF不够大，载流子不容易分离，再次，即使被分离也容易被陷阱态捕获，进而引起较大的Eloss。

近日，苏州大学廖良生教授、王照奎教授以及美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）杨阳教授运用含F的极化铁电聚合物（PFE）通过同时掺杂和界面偶极的作用有效地提高了钙钛矿太阳能电池的光伏性能。研究人员发现把PFE掺杂到MAPbI3光传输层薄膜中，它不仅可以以氢键的方式与MAPbI3晶体发生相互作用，还能利用自身的强极化特性引导钙钛矿晶体更有序生长，同时，这种极化还能提供额外电势用来增强BIF调节耗尽区，从而提高载流子的分离效率。在此基础上，再在光吸收层和传输层中间夹一层薄的界面偶极PFE薄膜，可以有效地减少由于界面晶格不匹配和表面缺陷引起的界面势垒，同时这种界面偶极可以更有效地为器件的BIF提供额外电势，使界面能级更加匹配。结合两种优化工艺，器件的BIF可以被显著的提高，有效的减少了Eloss，将器件的开路电压（Voc）提高到1.14 V。同时对不同铁电聚合物的应用进行了性能对比，最终铁电聚合物P(VDF-TrFE) 应用的器件效率高达21.38%。这项工作为制备低能量损耗的高效太阳能电池提供了一种新思路。

本文由苏州亚科科技股份有限公司编辑

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