作为阳极界面层,构筑了高效的非富勒烯有机太阳能电池。其中,MAPbBr不仅能作为空穴传输层,更能作为下转换层,欧博体育入口将紫外光和蓝光转换成长波长的光,并通过福斯特能量转移将能量转移到给体材料PM6,还能增强活性层的结晶性,并展示出优异的材料体系普适性和双极传输特性。
有机太阳能电池的阳极界面层对于器件效率和稳定性至关重要。目前只有PEDOT:PSS和无机p型过渡金属氧/硫化物被广泛地应用。PEDOT:PSS的酸性和吸湿性会损害器件的长期稳定性。而无机阳极界面层通常需要真空热蒸发,并对厚度有严格要求(通常10nm),这对器件的规模化加工构成了挑战。新兴的钙钛矿材料的能级和带隙可以通过调整卤化物、金属阳离子和其他阳离子的组成来控制。宽带隙钙钛矿显示出优异的载流子传输特性,具有优异的电子/空穴扩散长度和载流子寿命。因此,在这项工作中,李刚教授团队首次开发了基于宽带隙钙钛矿空穴传输层的非富勒烯有机太阳电池。
如图1所示,MAPbBr3显示出539nm的吸收带边和2.3eV的光学带隙。MAPbBr3表现出高而平衡的空穴和电子迁移率,分别为1.74和2.04 cm2V-1S-1。紫外光电子能谱(UPS)显示PEDOT:PSS和MAPbBr3的功函分别为5.2和5.0 eV。开尔文探针显微镜(KPFM)显示,探针尖端和MAPbBr3表面之间的接触电位差为-463 mV,而探针尖端和PEDOT:PSS表面之间的接触电位差为-600 mV,与UPS结果相符。
如表1所示,没有空穴传输层的未退火器件表现出9.09%的效率、0.68V的开路电压、22.5 mA cm-2的短路电流密度和59.2%的填充因子。基于PEDOT:PSS的未退火器件显示出15.6%的PCE、0.84V的开路电压、25.2 mA cm-2的短路电流密度和74.0%的填充因子。基于MAPbBr3(14nm)的器件表现出15.5%的效率、0.82V的开路电压、72.6%的填充因子,以及25.2 mA cm-2的短路电流密度。采用F4TCNQ修饰MAPbBr3有利于增加界面层的功函,并且将MAPbBr3的空穴迁移率和电子迁移率分别提高至2.49和2.88 cm2V-1S-1。通过使用F4TCNQ掺杂,器件实现了17.3%的效率、0.84V的开路电压、26.5 mA cm-2的短路电流密度和77.6%的填充因子。使用MAPbBr3的器件在波长400 nm处(380 nm ~70%)的EQE峰值都高于使用PEDOT:PSS 的器件(380 nm ~62%)。如荧光光谱所示,短波长EQE响应增强的原因是由于MAPbBr3到PM6的福斯振能量转移。电流-光强、电压-光强关系表明,F4TCNQ掺杂可以有效地提高电荷收集效率,并能抑制陷阱辅助复合。
该研究展示了一种溶液加工的宽带隙钙钛矿材料(MAPbBr3)作为高效的有机太阳能电池阳极界面层的潜力,为设计高性能和高成本效益的有机光伏的界面层提供了一个独特视角。