《AFM》：稳定效率超20%！用于高效钙钛矿太阳电池的空穴传输材料

作为一种很有前途的光伏技术，钙钛矿太阳能电池(PSCs)在过去的十年里得到了惊人的关注。最近，随着新的钙钛矿成分和新的制造工艺的发展，有报道称其功率转换效率(PCE)超过了25%。然而，长期的不稳定性仍然是此类器件商业化道路上的关键障碍。钙钛矿层在诸如湿度、热应力、光照和界面状态等内部和外部因素下很容易退化，导致器件性能降低。尽管性能有了长足的发展，但操作稳定性差和与钙钛矿太阳能电池(PSC)的Spiro-OmeTAD和PTAA等空穴导体相关的高成本都需要加以解决。

来自德国乌尔姆大学和英国剑桥大学的学者设计并直接合成了两种具有优异的电化学性能和空穴迁移率的非螺旋空穴传输材料HTM-1和HTM-2。特别是，基于甲氧基衍生物(HTM-2)的PSC表现出21.2%的显著效率(稳定效率为20.8%)，优于基准的HTM Spiro-OMeTAD(稳定效率20.4%)。这些结果表明，分子设计对改善PSCs的性能是有效的。重要的是，这两种材料在不同的恶劣条件下表现出了可接受的长期稳定性，如高达85℃的热应力，60%±10%的高湿度，以及超过1000小时的连续光照。这些见解允许将分子设计对非螺旋基空穴导体光电性能的影响与整体器件性能相关联。相关文章以“Robust Nonspiro-Based Hole Conductors for High-Efficiency Perovskite Solar Cells”标题发表在Advanced Functional Materials。

图1.a)循环伏安图和b) HTM-1和HTM-2的PESA测量。c) HTM-2的中性(黑色)、自由基阳离子(蓝色)和极性(红色)物种的紫外-可见吸收光谱和d)根据循环伏安法和紫外-可见-近红外数据计算出的三种不同氧化态对应的FMO水平。

图2.HTM-2中性(左)、自由基阳离子(中)和dicationic (右)物质的FMOs。

图3.使用a) spiro-OMeTAD, b) HTM -1和c) HTM -2完全组装的设备的横断面SEM图像。d) spiro-OMeTAD, e) HTM-1，和f) HTM-2的放大图像。钙钛矿薄膜上g) spiro-OMeTAD, h) HTM-1和i) HTM-2接触角的代表性图像

图5.基于不同HTMs的PSCs稳定性测试。a) MPP条件下细胞的长期光稳定性曲线。b)湿度60%±10%和c) 60-85℃热应力条件下器件的支架的稳定性曲线。

本研究采用简单的分子工程技术合成了基于环戊二噻吩芯且无复杂螺结构的新型空穴导体，并将其用于PSCs。虽然两种HTM都表现出足够的热、光学和电化学性质，但观察到孔传输能力的明显差异。基于HTM-2的器件具有令人印象深刻的21.2%的效率，并且在各种老化条件下表现出显着的稳定性。本研究认为基于CPDT的HTM具有大规模应用的潜力。这项工作为使用有效的分子工程方法设计稳定且具有成本效益的HTM提供了重要的路线图。（文：SSC）

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