用户速递 |量子点杂化空穴导体助力高效碳基太阳能电池

碳基无机钙钛矿太阳电池

碳基钙钛矿太阳电池（C-PSC）具有高稳定性的优良潜质，成为下一代太阳电池的有力竞争者。然而，由于空穴传输层（HTL）的缺失，碳电极与钙钛矿材料界面的能级失配率高，降低了界面空穴提取效率，导致C-PSC的效率低于金属基钙钛矿太阳电池。

近日，华南农业大学饶华商&钟新华团队在碳基无机CsPbI₂Br钙钛矿太阳电池的空穴传输材料上取得重要进展，研究成果以“Interfacial energy-level alignment via poly-3-hexylthiophene-CsPbI₃ quantum dots hybrid hole conductor for efficient carbon-based CsPbI₂Br solar cells”为题发表在Chemical Engineering Journal（DOI：10.1016/j.cej.2022.139842）上。华南农业大学张键鑫博士生为*一作者，饶华商副教授为通讯作者。

该团队采用聚3-己基噻吩（P3HT）与CsPbI₃量子点（QDs）杂化的策略构建适用于C-PSC的Hole Conductor P-QD，通过傅里叶变换红外（FTIR）光谱证明CsPbI₃ QDs表面的部分油酸配体被P3HT取代，并且溶液具有良好的稳定性。通过溶液中的电荷转移现象证明P3HT-QDs之间的耦合作用，可以促进电荷的分离，电导率测试证明了杂化策略可以有效地提高电荷提取效率（Figure 1）。

Fig. 1. (a) TEM, HRTEM, and Fast Fourier Transform (FFT) images of CsPbI₃ QDs. (b) Photographs of QD, P3HT, and P-QD solutions. (c) FTIR spectra of the OA, QD, P3HT, and P-QD. (d) Pphotographs under the illumination of UV light (365 nm), and (e) PL spectra for these studied solutions. (f) I-V curves of QDs, P3HT, and P-QD films tested under dark.

本工作中采用热气流辅助（HFA）制备CsPbI₂Br薄膜，Hole conductor层通过旋涂的方法制备。稳态荧光（PL）和荧光衰减（PL delay curves）被用于评价不同Hole conductor对CsPbI₂Br薄膜中的空穴提取效果。PVK/P-QDs films表现了更低的荧光强度和荧光寿命，这归因于P3HT部分取代原有的配体后加速了空穴的提取过程。（Figure 2c和2d）

Fig. 2. (a) Schematic of fabrication processes for the CsPbI₂Br film and hole conductor layer. (b) Cross-sectional SEM image of each functional layer. (c) Steady-state PL, and (d) PL delay curves of PVK, PVK/QD, PVK/P3HT, and PVK/P-QD films.

鉴于P3HT-QDs对空穴提取增强的作用，被作为Hole Conductor用于制备结构为FTO/TiO₂/CsPbI₂Br/HTL/C的C-PSC器件以形成梯度分布的能级构型。*终P-QDs-cells提供*优的光伏性能，其PCE为15.04%，这归因于P3HT-QDs对空穴提取的增强作用。同时，QDs窄的带隙也拓宽了器件的光响应范围。（Figure 3）

Fig. 3. (a) Energy-level alignment diagram of CsPb_I2Br C-PSCs. (b) J-V curves of Ref-, QD-, P3HT-, and P-QD-cells. (c) Distribution of PCE of the studied solar cells. (d) SPO curves, (e,f) EQE spectra of Ref-, and P-QD-cells.

进一步的光电测试（TPV/TPC、EIS、J_sc和V_oc光强依赖、Mott-Schottky等），都证实了来自P3HT-QDs层的梯度能级排列可以有效地加速电荷分离并抑制非辐射复合损失，提高器件的光伏性能（Figure 4）。

Fig. 4. (a) TPC, (b) TPV, (c,d) J_sc/V_oc dependence on light intensities, (e) Fitted Nyquist plot curves under dark conditions, and (f) Mott-Schottky plots for Ref- and PQD-cell.

P3HT-CsPbI₃作为Hole Conductor的应用为C-PSCs的空穴输运工程提供了新的途径。

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722053219?via%3Dihub

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本文中荧光发光及寿命衰减曲线由卓立汉光公司的OmniFluo990稳态瞬态荧光光谱仪完成。OmniFluo990为模块化搭建结构，通过搭配不同的光源、检测器和各类附件，完成钙钛矿太阳能电池中不同Hole Conductor的空穴提取效果的评价。