【材料】提高钙钛矿太阳能电池稳定性和转换效率的黄金搭档：高分子-富勒烯

来源：X一MOL资讯

有机-无机卤素钙钛矿作为光吸收材料应用于薄膜太阳能器件受到广泛的研究重视。经过数年的发展，其最高光电转换效率已达到23.7%，接近晶体硅太阳能电池的效率记录。然而，现阶段的钙钛矿组分并非完美，仍需继续深入研究克服其本质缺陷，推动钙钛矿电池的产业应用化。存在的主要问题首先是其长期稳定性，钙钛矿电池中最为关键的部件是具有钙钛矿晶体结构ABX3的光吸收材料，其对环境因素，包括水、氧气、热、紫外光等极为敏感，这些因素可使钙钛矿吸光层发生不可逆转的分解，从而导致电池性能的衰减。另外，虽然钙钛矿太阳能电池已具有较高的转换效率，但相对于其肖克利-奎伊瑟（Shockley-Queisser，S-Q）极限效率还有一定差距。主要原因在于钙钛矿晶体薄膜体相内存在大量缺陷，可导致较为严重的非辐射复合。因此如何提高钙钛矿太阳能电池的稳定性、如何进一步提高其光电转换性能仍是现阶段亟待解决的问题。

近期，宾夕法尼亚州立大学（Penn State）的吴聪聪博士、Shashank Priya教授和华中科技大学的池波教授团队开发出一种具有双功能的高分子PMMA与富勒烯C60的复合物，将此复合物引入钙钛矿薄膜体相内，改善钙钛矿的本征稳定性和电荷传导性能。其中疏水性高分子PMMA用于阻挡水分子的侵蚀，以提高钙钛矿薄膜的稳定性；富勒烯C60在钙钛矿体相内促进载流子分离，减少电荷的复合。这两种材料的结合可同时解决稳定性和光电转换性能的问题。

将富勒烯引入到钙钛矿薄膜体相内是一难点。富勒烯一般溶于非极性溶剂如氯苯、甲苯等，如将富勒烯非极性溶液直接与极性的钙钛矿溶液混合会大幅度降低薄膜质量。吴聪聪博士等采取一种新的制备钙钛矿薄膜的方法，将CH3NH3PbI3钙钛矿晶体与CH3NH2甲胺气体作用，生成一种液态钙钛矿中间体，再将此液态钙钛矿中间体与乙腈混合，采用旋涂可直接组装成钙钛矿晶体薄膜。富勒烯本身不溶于乙腈，但与PMMA作用后，富勒烯位于PMMA的螺旋孔洞中，促进富勒烯在乙腈中的溶解。将这种复合物引入到液态钙钛矿中间体中，在随后的组装过程中，PMMA-C60复合物包覆在钙钛矿晶界处，PMMA阻挡水分子的进入以提高稳定性，而C60作为电子受体可与钙钛矿形成局部的极化电场，减小电荷在钙钛矿体内的复合，提高光电转换性能，如图1所示。

图1. PMMA-C60间的相互作用增大C60在乙腈中的溶解度；C60在钙钛矿晶界处形成局部极化电场，促进载流子的分离，减少电荷复合。

疏水高分子PMMA包覆在钙钛矿晶界处，可有效阻挡水分子的侵蚀，提高钙钛矿薄膜的本征稳定性。利用石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）可观察到钙钛矿薄膜与水分子间的反应。在未引入PMMA-C60的情况下，钙钛矿与水分子反应生成挥发性的CH3NH2和HI，使薄膜重量降低；而在引入PMMA-C60的情况下，水分子只是物理吸附在PMMA分子链上，随后通入氮气，可将吸附的水分子完全去除，钙钛矿重量恢复到初始值，证实了处于钙钛矿晶界处的PMMA分子链可隔绝钙钛矿与水分子间的反应。利用此组分制备钙钛矿太阳能电池，由于富勒烯形成的内部电场可有效减小电荷复合，其光电转换效率从16.1%提升到18.4%。另外，由于疏水高分子的晶界包覆，钙钛矿电池器件表现出非常好的稳定性。在长期稳定性的测试中，电池在空气环境（湿度23%-47%）中经历了250天，电池转换效率一直保持在18%左右，未发生性能衰减。

图2. PMMA-C60包覆在钙钛矿晶界阻挡水分子的侵蚀；利用石英晶体微天平观测钙钛矿与水分子间的反应；钙钛矿电池器件的长期稳定性测试。

高分子-富勒烯（PMMA-C60）作为一对搭档，促进彼此在溶剂中的溶解，以有效分散在钙钛矿薄膜体相当中。两者在钙钛矿薄膜中完成各自的任务，从而达到同时提高钙钛矿太阳能电池稳定性和光电转换的性能。此工作发表在Advanced Functional Materials上，并选为Inside Back Cover封面文章。

该论文作者为：

Congcong Wu, Kai Wang, Yongke Yan, Dong Yang, Yuanyuan Jiang, Bo Chi, Jianzhao Liu, Alan R. Esker,  Jennifer Rowe, Amanda J. Morris, Mohan Sanghadasa, Shashank Priya