聚合物互联层助力高效钙钛矿/有机叠层太阳能电池学术资讯

叠层太阳能电池通过结合宽带隙和窄带隙半导体来分别吸收高能量和低能量光子，减少单结电池的热弛豫损失和光子透过损失，有望突破单结器件的S-Q理论极限，具有极大的应用前景。在各种光活性层的组合中，正交溶剂处理的宽带隙钙钛矿电池和窄带隙有机电池是理想的子电池，可通过溶液法制备稳定且高效的叠层太阳能电池。宽带隙的钙钛矿在紫外-可见光区域能弥补有机活性层较低的短波长吸收，而窄带隙的有机活性层在有效拓宽近红外光响应时不会破坏底部的钙钛矿层。除了光活性层外，叠层器件中的互联层（ICL）对器件性能起到决定性作用。ICL的寄生吸收、界面接触性质以及材料的迁移率能显著影响活性层光子吸收，器件电压损失以及载流子传输与复合。因此，设计合理的ICL对制备高效稳定的钙钛矿/有机叠层太阳能电池至关重要。

图1. 叠层太阳能电池的结构以及所使用的材料。

该研究表明，叠层器件中无机钙钛矿CsPbI₂Br（带隙1.9 eV）和有机体异质结PM6:Y6-BO（带隙1.3 eV）的最佳厚度分别为255和160 nm，以polyTPD为空穴传输材料的叠层器件具有21.1%的光电转化效率和0.06 V的叠层器件电压损失，这是当前钙钛矿/有机叠层太阳能电池效率的最高值，远高于基于PBDB-T-Si（16.9%）和D18（16.6%）聚合物互联层的叠层器件。

图2. 叠层器件性能以及各功能层的光子吸收。

通过转移矩阵模型的光学模拟可知，基于polyTPD 的ICL的叠层器件几乎没有造成额外的寄生吸收。而在ICL中，PBDB-T-Si（D18）层能吸收可见光区域的光子，减少了钙钛矿层的光子吸收，这减少了单结钙钛矿电池和叠层电池中的短路电流密度。

图3. 叠层器件中各ICL的接触性质。

基于polyTPD的ICL的器件，具有几乎线性的J-V曲线，表明ICL的界面接触为准欧姆接触，而基于PBDB-T-Si和D18的器件具有明显的肖特基接触势垒，会造成ICL内部的准费米能级分裂，引起额外的开路电压损失，通过电学模拟，进一步证实了这种准费米能级分裂引起的叠层器件电压损失。

此外，钙钛矿的迁移率比有机半导体高几个数量级，所以在钙钛矿层中的光生空穴会比有机活性层中的光生电子更快到达ICL层。因此，使用高迁移率材料PBDB-T-Si (7.0×10⁻³ cm² V⁻¹ s⁻¹) 和D18 (1.6×10⁻³ cm² V⁻¹ s⁻¹) 时，会将钙钛矿层的过量空穴传输到ICL中，造成严重的空穴累积，引起额外的界面复合，最终造成填充因子的下降和开路电压的损失。具有适当迁移率的polyTPD (1.0×10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹) 能减缓来自钙钛矿层的空穴累积，进而减小不必要的载流子复合。

本文设计的聚合物具有小的寄生吸收，合适的空穴迁移率以及在互联层中的准欧姆界面接触特性等优点，使活性层光子利用最大化，叠层器件中的电荷累积和开路电压损失均最小，成功制备出了高效率钙钛矿/有机叠层太阳能电池，为叠层太阳能电池的优化提供了指导。

来源：ACS美国化学会

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