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南開陳永勝團(tuán)隊(duì):水溶液處理助推倒置OSCs效率破19%

發(fā)表時(shí)間:2024/9/18 11:28:00

在有機(jī)太陽能電池(OSCs)領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)高效率和穩(wěn)定性仍然是一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。相較于常規(guī)結(jié)構(gòu)的太陽能電池,倒置結(jié)構(gòu)的OSC展現(xiàn)出巨大潛力,能夠?qū)⒏咝逝c增強(qiáng)的穩(wěn)定性結(jié)合。然而,盡管穩(wěn)定性有所提高,倒置結(jié)構(gòu)OSC的效率仍落后于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)OSC,主要受限于電子傳輸層(ETL)的性能。
南開大學(xué)暨納米科學(xué)與技術(shù)研究中心陳永勝老師團(tuán)隊(duì)于20249月號Advanced Functional Materials (Volume 34, Issue 36,DOI: 10.1002/adfm.202409699 )探討了通過水溶液處理的混合電子傳輸層(ETL)來同時(shí)提高有機(jī)太陽能電池(OSCs)的效率和穩(wěn)定性。

研究人員通過在SnO2納米顆粒表面修飾水溶性鉀羧酸鹽PMA,有效減少了氧空位缺陷并解決了光浸泡問題。這一改進(jìn)使基于PM6的電池效率從16.68%提升至17.85%,而基于PM6的電池效率更是達(dá)到了19.07%,創(chuàng)下了單結(jié)倒置結(jié)構(gòu)OSCs的新紀(jì)錄。此外,所有測試的OSCs在熱穩(wěn)定性和光照穩(wěn)定性方面均表現(xiàn)優(yōu)異,超越了對照組設(shè)備。研究還展示了使用這種混合ETL制造的大面積模塊,基于PM6的電池模塊效率達(dá)到了15.02%

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a) PM6器件在有無PMA情況下的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)、開路電壓(Voc)、短路電流密度(Jsc)和填充因子(FF)。
b)
我們的結(jié)果與文獻(xiàn)中報(bào)道的代表性倒置有機(jī)太陽能電池的PCE比較。此工作中的PCE19.07%。

c) PMA在大面積制造中的應(yīng)用。使用刀涂PMA作為混合ETLPM6作為活性層的大面積模塊的光伏結(jié)果。


關(guān)鍵PMA引入SnO2電子傳輸層(ETL)步驟解析

本研究通過將SnO2納米顆粒修飾為水溶性鉀羧酸鹽PMA,開發(fā)了一種水溶性混合ETL。這種改進(jìn)有效鈍化了SnO2納米顆粒中的氧空位缺陷,并消除了對照器件中觀察到的光吸收問題。
TiO2ZnO2相比,SnO2具有更高的可見光透射率,優(yōu)異的電荷遷移性能,較低的光催化活性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。然而,SnO2納米顆粒表面存在各種空位缺陷,可能產(chǎn)生大量復(fù)合中心,阻礙器件內(nèi)電子的傳輸和收集。因此,在有機(jī)太陽能電池中使用SnO2作為ETL時(shí),會觀察到顯著的光照效應(yīng),即有機(jī)太陽能電池需要光照曝光,通常需要幾分鐘到半小時(shí)或更長時(shí)間,才能達(dá)到穩(wěn)定和最佳性能。然而,即使經(jīng)過光照后,器件性能仍然不盡如人意。

為解決光照效應(yīng)問題,研究人員開發(fā)了各種策略,尤其是表面修飾技術(shù),并取得了令人滿意的結(jié)果。最近,我們使用了一種名為NMA2-(3-(二甲氨基)丙基)-1,3-二氧雜-2,3-二氫-1H-苯并[de]異喹啉-6,7-二羧酸)的界面材料來修飾SnO2納米顆粒,有效消除了器件中觀察到的光照效應(yīng)問題??紤]到大型融合芳香骨架對電子傳輸有利,并有望增強(qiáng)器件性能,我們設(shè)計(jì)并合成了一種新的改性分子,稱為PMA(鉀鹽9-羧基-2-(3-(二甲氨基)丙基)-1,3-二氧雜-2,3-二氫-1H-苯并[10,5][2,1,9-def]異喹啉-8-羧酸酯),用于修飾SnO2界面。首先,羧酸陰離子能有效地與Sn原子配位,從而鈍化SnO2的氧空位,抑制表面缺陷和電荷復(fù)合。其次,作為鉀鹽羧酸鹽,PMA表現(xiàn)出優(yōu)異的水溶性,有利于形成水處理的混合ETL,最終使其更加環(huán)保,適用于大規(guī)模太陽能電池生產(chǎn)。此外,大型融合芳香主骨架為電子傳輸提供了有利條件,從而增強(qiáng)了電子傳輸能力。

以下為透過發(fā)表論文及補(bǔ)充資料所歸納出的研究手法步驟

1.     PMA的合成

·         將化合物加入5% KOH水溶液中,加熱至90攪拌2小時(shí)。

·         調(diào)整pH至約6,加入乙酸,繼續(xù)攪拌40分鐘。

·         收集紫色沉淀,用d-H2OMeOH、n-Hexane洗滌,真空干燥。

·         將化合物2懸浮于d-H2O中,加入N1,N1-dimethylpropane-1,3-diamine水溶液。

·         室溫?cái)嚢?/span>3小時(shí),加入acetone誘導(dǎo)沉淀,靜置過夜。

·         收集沉淀,用DMSOMeOH洗滌,真空干燥。

2.     SnO2薄膜的制備

·         SnO2納米顆粒的水溶液中鑄造SnO2薄膜。為了提高薄膜質(zhì)量,向SnO2納米顆粒溶液中加入聚合物PAA。收集沉淀,用DMSOMeOH洗滌,真空干燥。

·         SnO2層沉積:SnO2分散液超聲波分散30分鐘,稀釋至20 mg/ml。旋涂于ITO玻璃上,150℃熱烘30分鐘。

3.     熱退火處理:對SnO2薄膜進(jìn)行熱退火處理,使其具有耐水性,以確??梢詮乃芤褐需T造第二層PMA

4.     PMA層的鑄造:在SnO2薄膜表面鑄造PMA層,形成混合電子傳輸層(ETL)。

5.     器件的制備:選擇經(jīng)典的有機(jī)太陽能電池(OSC)系統(tǒng)PM6,制備倒置結(jié)構(gòu)的器件,結(jié)構(gòu)為ITO/ETL/PM6/MoOx/Ag。

6.     光伏性能評估:評估混合ETL的光伏性能,觀察到對照器件存在嚴(yán)重的光浸泡現(xiàn)象。


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S7 ITO/ETLs/有源層/MoOx/AgJ-VEQE曲線。


S2 優(yōu)化后的基于SnO2/PMA/PM6/MoOX/Ag的反轉(zhuǎn)式有機(jī)太陽能電池的光伏參數(shù),在AM 1.5G100 mW cm-2)照射下,具有不同PMA厚度。

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S11顯示了PMA的熱重分析(TG)曲線。橫軸為溫度(°C),縱軸為質(zhì)量百分比(%)。曲線顯示PMA194°C時(shí)開始顯著失重,表明其熱分解溫度。


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S1顯示了控制組和PMA混合薄膜的水和甘油的接觸角及表面能,這些數(shù)據(jù)顯示PMA處理后的薄膜具有較高的水接觸角和較低的表面能。

·         控制組

o    水接觸角:5.4°

o    甘油接觸角:54.7°

o    自由表面能:88.6 mJ/m2

·         PMA

o    水接觸角:26.0°

o    甘油接觸角:58.0°

o    自由表面能:81.1 mJ/m2

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S2顯示了在AM 1.5G100 mW/cm2)照射下,不同PMA厚度的SnO2/PMA/PM6/MoOX/Ag反轉(zhuǎn)式有機(jī)太陽能電池的光伏參數(shù),這些數(shù)據(jù)顯示PMA厚度對電池性能的影響。

·         PMA厚度(nm

o    4VocVoc = 0.844 V, JscJsc = 28.40 mA/cm2, FF = 74.82%, PCE = 17.85%

o    6VocVoc = 0.844 V, JscJsc = 27.94 mA/cm2, FF = 75.29%, PCE = 17.76%

o    8VocVoc = 0.840 V, JscJsc = 27.78 mA/cm2, FF = 75.63%, PCE = 17.66%

o    16VocVoc = 0.838 V, JscJsc = 27.53 mA/cm2, FF = 74.72%, PCE = 17.23%


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南開大學(xué)團(tuán)隊(duì)采用光焱科技QE-R光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案裝機(jī)圖


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7.     電化學(xué)阻抗譜(EIS)測量:在暗條件下測量開路電壓(Voc)下的Nyquist圖,使用雙RC電路模型擬合EIS光譜以獲得系列電阻(Rs)、電荷傳輸電阻(Rtr)和電荷復(fù)合電阻(Rrec)。

8.     瞬態(tài)光電流(TPC)和瞬態(tài)光電壓(TPV)測量:進(jìn)行TPCTPV測量以研究電荷提取和復(fù)合特性。
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大面積模塊的制備:使用刀涂法制備基于PM6的混合ETL大面積模塊,展示出高光電轉(zhuǎn)換效率。
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經(jīng)優(yōu)化之PM6基器件創(chuàng)單結(jié)倒置有機(jī)太陽能電池效率新高

本研究表明,通過引入PMA作為修飾材料到SnO2電子傳輸層(ETL)中,基于PM6的器件在性能和穩(wěn)定性方面均取得了顯著提升。具體而言,器件的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)從16.68%提高到17.85%。值得注意的是,采用混合ETLPM6基器件實(shí)現(xiàn)了19.07%的驚人效率,創(chuàng)下了目前報(bào)道的單結(jié)倒置有機(jī)太陽能電池(OSC)的最佳效率記錄。
以下為論文所達(dá)成的研究成果

l   在穩(wěn)定性測試中,所有采用混合ETLOSC在熱應(yīng)力和光照條件下,其最大功率點(diǎn)(MPP)的性能均優(yōu)于對照器件。特別是,在持續(xù)100毫瓦/平方厘米光照下,這些器件展現(xiàn)出優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性。此外,使用這種混合ETL制備的大面積PM6基模塊(13.5平方厘米)也實(shí)現(xiàn)了15.02%的可觀光電轉(zhuǎn)換效率,展示了其在大規(guī)模應(yīng)用中的潛力。

l   本研究開發(fā)的PMA分子與SnO2形成的水溶液處理混合ETL,有效減少了SnO2表面的氧缺陷,增強(qiáng)了電子傳輸和收集能力。這一方法不僅顯著提高了各種典型光伏器件的效率和穩(wěn)定性,還展現(xiàn)了良好的普適性。
例如,在典型PM6系統(tǒng)中,基于PMAOSC實(shí)現(xiàn)了17.85%PCE,遠(yuǎn)超16.68%PCE的對照器件。在長期穩(wěn)定性測試中(MPP跟蹤,T80 = 6515小時(shí)),基于PMAOSC保持了90.7%的初始PCE,而對照器件僅保持了72.8%。

經(jīng)PMA修飾的PM6基器件達(dá)到了19.07%PCE,創(chuàng)下單結(jié)倒置結(jié)構(gòu)OSC的效率新高。
在持續(xù)光照下的MPP跟蹤測試中,這些器件在近500小時(shí)后仍保持了87.7%的初始PCE,而對照器件在僅100小時(shí)后就損失了20%的初始PCE。而通過刮涂法制備的PM6基模塊實(shí)現(xiàn)了15.02%PCE,證明了該技術(shù)在大面積有機(jī)太陽能電池OSC制造中的應(yīng)用潛力。

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文獻(xiàn)參考自Advanced Functional Materials Sep. 2024_Doi:10.1002/adfm.202409699

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