孟鸿教授课题组在高效率、稳定的钙钛矿太阳能电池有机界面材料机理研究方面取得进展

renzoula

新材料学院2020年7月21日讯，孟鸿教授课题组在国际知名期刊《先进功能材料》（Adv. Funct. Mater. DOI：10.1002/adfm.202000837）上发表了题为：“Gaining Insight into the Effect of Organic Interface Layer on Suppressing Ion Migration Induced Interfacial Degradation in Perovskite Solar Cells”的研究论文，对有机界面材料抑制钙钛矿太阳能电池性能退化的机理进行了系统性的研究。

图1 基于NDI-BN的倒置型钙钛矿太阳能电池结构示意图，以及使用/未使用NDI-BN界面层的器件放置1000小时的J-V曲线对比。

       近年来，钙钛矿太阳能电池（PSCs）的效率屡破新高，被认为是最有可能从实验室走向实际应用的光电转换技术之一。然而钙钛矿太阳能电池的稳定性是其实现产业化的最大阻碍，在影响PSCs稳定性的众多因素中，离子迁移引起的界面退化会加速钙钛矿层的降解，造成电极腐蚀，影响界面接触，从而导致PSCs效率及稳定性的降低。因此亟需对界面进行改性，经过多年来的研究，使用有机界面材料的PSCs取得了较高的效率，但是只有很少的报道提到了其提升稳定性的作用，而且都是关于有机分子的疏水性阻碍水分渗透对猜测，背后的机理尚未得到解释，例如，有机界面材料是如何影响离子迁移引起的界面退化的？什么样的有机界面材料可以起到抑制界面退化从而提升稳定性的作用？      
       北京大学深圳研究生院孟鸿课题组合成了一种萘酰亚胺基三齿含氮螯合物NDI-BN，作为有机阴极界面材料在倒置型结构中取得了最高21.32%的效率，其中Voc=1.13 V，Jsc=23.61 mA/cm2，FF=79.93 %。作者研究了未封装器件放置于30%湿度和20摄氏度的条件下的稳定性，发现1000小时后不含NDI-BN的器件出现了与界面退化相关的明显的“S”型J-V曲线，相反使用NDI-BN的器件未出现“S”型曲线并可以保持75 %的初始效率。为了系统地研究NDI-BN对界面退化的影响，作者首先通过XPS测试追踪该界面处的碘离子，提供了使用NDI-BN作为界面层可以有效地抑制碘离子扩散的直接证据，证实了NDI-BN改善界面退化的原因是抑制了离子的扩散，更进一步，作者从分子层面比较了PC61BM与NDI-BN排列模式的差异，球状的PC61BM分子之间形成的空隙形成了离子扩散的通道，相反，NDI-BN分子之间通过π–π堆积形成了紧密的face-to-edge交错排列模式，从而切断了离子继续向电极扩散的路径。同时，通过理论计算，模拟了钙钛矿降解产物(MAI)2分别与PC61BM分子簇和NDI-BN分子簇的结合能，发现NDI-BN分子有更大的结合能，说明(MAI)2进入NDI-BN分子簇需要更高的能量，揭示了NDI-BN分子阻挡离子扩散的内在机理。
        基于这项研究的发现，作者展望了具有强物理相互作用力形成的紧密有序排列的有机界面材料，可以用于获得高效稳定的钙钛矿太阳能电池，为有机界面材料的分子设计提供了新思路。相关论文近日发表在Advanced Functional Materials (10.1002/adfm.202000837)上，第一作者为新材料学院博士研究生宁皎邑，助理研究员缪景生和孟鸿教授为该论文的共同通讯作者。


       文章来源：北京大学新材料学院
       孟鸿，北京大学深圳研究生院新材料学院教授，博士生导师。四川大学化学系理学学士（1988），北京大学化学与分子工程学院有机化学硕士学位（1995），新加坡国立大学化学系理学高分子材料硕士学位（1997），美国加州大学洛杉矶分校（UCLA)化学与生物化学系博士学位（2002）。