雷鸣课题组：采用富勒烯光电材料提高钙钛矿太阳能电池性能的研究取得新进展

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富勒烯衍生物在有机太阳能电池（OSCs）中作为受体材料发挥了至关重要的作用，某些功能化的富勒烯衍生物还可以作为阴极界面修饰层材料改善光活性层和阴极之间界面层的电学特性，显著提高正向和反向结构光伏器件的能量转化效率（PCE）。2012年，课题组与澳大利亚联邦科学和工业研究组织（CSIRO）和中科院化学所开展合作研究，设计合成的富勒烯胺（PCBAN和PCBDAN）和n-型自掺杂高电导率富勒烯季铵碘盐（PCBDANI）可作为阴极界面修饰层材料，降低电极的金属功函数，改善活性层与电极的接触，显著提高开路电压（Voc）和短路电流强度（Jsc），提高填充因子（FF），从而提升了器件的PCE和稳定性（Adv. Energy Mater. 2013, 3, 1569-1574; ASC Appl. Mater. Interfaces 2013, 5, 10995-11003; J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 14720-14728)。还可以利用PCBDAN自组织聚集简化器件加工程序，为大面积加工器件提供了高性能材料和简便的方法（ACS Nano, 2014, 8,1601-1608）。随着近十年来研究的不断深入和积累，课题组构建了富勒烯光电材料库（Figure 1）。

       课题组与化学系王琦教授课题组合作开展深入研究，阐明了n-型交叉自掺杂高电导富勒烯铵盐的结构-性能关系，提出了n-型交叉自掺杂理论和导电模型（Figure 2），建立了比较完整的卤素离子-富勒烯π非共价键作用理论体系和研究方法学（Chem. Mater. 2016, 28, 1227-1235; Chem. Mater.2016, 28, 8726-8731）。

Figure 2. Cross self-n-doping and electron transfer model in a stable and highly conductive fullerene ammonium iodide: A promising cathode interlayer in organic solar cells (Chem. Mater. 2016, 28, 1227-1235).

       有机-无机杂化的钙钛矿太阳能电池（PSCs）因具有PCE高、制备工艺简单、成本低等优点而成为新能源领域的研究热点。近年来，通过对材料、器件结构和加工工艺等方面的深入研究，使PSCs的PCE从2009年的3.8%快速提升至当前的25.5%，并逐步逼近理论效率。值得关注的是钙钛矿活性层对水、空气、热、光等因素的稳定性问题限制了PSCs器件的实际应用。课题组与浙江大学硅材料国家重点实验室余学功教授、杨德仁教授团队开展合作研究，将PCBDAN引入PSCs器件，提高了器件的能量转换效率，消除迟滞效应和简化器件加工工艺，为实现大面积、低成本器件加工提供了性能优良的材料和新工艺（Figure 3），尤其是提高了PSCs器件对空气、水和光的稳定性（J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 9278-9284; Nano Energy 2016, 28, 330-337; J. Mater. Chem. A2016, 4, 18509-18515; Adv. Sci. 2017,201700018)。

Figure 3. Self-organized fullerene interfacial layer for efficient and low-temperature processed planar perovskite solar cells with high UV-light stability(Adv. Sci. 2017,201700018).

        课题组与化学系王琦教授课题组合作，在卤素离子-富勒烯交叉自掺杂机制的基础上，进一步研究探明了PSCs中卤素离子穿透富勒烯电子传输层迁移的可能途径和机制（J. Mater. Chem. A.2017, 5, 20720-20728）（Figure 4），为设计具有钝化功能的电子传输材料和提高钙钛矿活性层稳定性提供了理论依据。

Figure 4. Halide anion–fullerene π noncovalent interactions: n-doping and halide anion migration mechanism in p-i-n perovskite solar cells (J. Mater. Chem.A. 2017, 5, 20720-20728).

        最新进展：如何抑制钙钛矿光活性层分解以及离子迁移是目前解决PSC器件稳定性问题的关键。基于上述研究成果，课题组设计合成了具有钝化/传输双功能的n-型界面材料——聚乙二醇醚衍生的富勒烯（PCBHGE，Figure 1），并与浙江大学硅材料国家重点实验室余学功教授、杨德仁教授团队继续合作开展PSC器件研究。研究表明，将PCBHGE添加入钙钛矿活性层后，PCBHGE聚醚侧链的多个O原子与钙钛矿中的Pb2+通过Lewis酸碱对作用能够稳定[PbI6]4–八面体框架结构，钝化界面缺陷，从而有效抑制钙钛矿的分解和离子迁移，提高器件的稳定性。所制备的器件最高可表现出23.19%的PCE，器件在暗处存放206天后的PCE保有率为87%，并且在工作条件下器件能够保持良好的光稳定性。该研究工作为进一步开发多功能富勒烯光电材料和提高PSC器件稳定性奠定了基础。该研究成果近期在美国化学会期刊ACS Energy Lett. 2021, 6, 3864-3872（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c02030）上发表。

Figure 5. Mitigating ion migration by polyethylene glycol modified fullerene for perovskite solar cells with enhanced stability (ACS Energy Lett. 2021, 6, 3864-3872).

       本研究工作受到国家自然科学基金项目（21975219，62025403，61721005）的资助。
       雷鸣教授的个人主页和课题组主页如下，欢迎有兴趣加入到本科生和研究生积极联系。课题组链接：https://person.zju.edu.cn/leiming


       文章来源：浙江大学
       雷鸣，浙江大学教授。近年来，主要从事富勒烯类太阳能电池电子传输层（ETL，即阴极界面修饰层）材料的构效关系、设计合成和性能表征研究。从分子水平提出了高电导率富勒烯铵盐n-型交叉自掺杂（Cross self n-doping）和导电模型理论，基于该理论开展超分子体系结构和功能调控研究，设计开发新结构和新功能的n-型掺杂富勒烯光电转换材料。与国内、国际多家研究机构和公司开展合作和交流。本研究组还开展连续流（微流控）合成方法学和分子影像探针合成研究。并将微流控合成技术用于富勒烯类光电材料设计合成。