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《自然•通讯》刊发周印华教授课题组调控准二维钙钛矿垂直相分布策略

来源:武汉光电国家研究中心    作者:    发布时间:2019年04月10日    浏览:284次

2019年2月20日,《自然•通讯》(Nature Communications)在线发表了武汉光电国家研究中心周印华教授课题组关于准二维钙钛矿太阳能电池的研究新成果,该论文题为《通过表面修饰空穴传输层调节准二维钙钛矿薄膜垂直相分布》(Tailoring vertical phase distribution of quasi-two-dimensional perovskite films via surface modification of hole-transporting layer)。

准二维钙钛矿[(A1)2(A2)n-1BnX3n+1]可以看成是从三维钙钛矿[ABX3]材料中切出的二维薄片。而隔离相邻两层二维钙钛矿的是长链有机阳离子A1(如丁胺、苯乙胺等)。由于长链部分通常具有疏水性,将钙钛矿活性层部分保护起来,因此,准二维钙钛矿的稳定性更高,是当前研究的热点。与三维钙钛矿薄膜中通常具有均一的组分不同,准二维钙钛矿薄膜中通常由不同n值(不同层数的二维钙钛矿)的相组成,不同n值的准二维钙钛矿具有不同的能级。准二维钙钛矿膜中n的垂直分布对于电荷的分离、传输和收集有重要的影响。目前,人们对n值垂直分布形成的驱动力以及如何调控仍不清楚。

作者发现,准二维钙钛矿薄膜的n值分布依赖于基底的性质,在玻璃表面与空穴传输层PEDOT:PSS表面具有不同的分布。由于前驱体溶液具有胶体性质,作者提出利用胶体沉降平衡理论解释n值分布产生的原因。当在 PEDOT:PSS表面沉积时,其表面酸性特征会破坏胶体的性质,抑制垂直相分布的产生。作者利用4-溴重氮苯四氟硼酸盐修饰PEDOT:PSS空穴传输层表面(BrB-PEDOT:PSS),利用重氮盐分子与酸性的磺酸基团反应,保持了钙钛矿溶液胶体的性质,得到了具有垂直相分布结构的准二维钙钛矿薄膜,提高了薄膜内的电荷传输速度。基于此薄膜制备的准二维钙钛矿太阳能电池器件得到了1.11 V的开路电压及13.74%的能量转换效率。

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(图1.(a)4-溴重氮四氟硼酸盐分子修饰PEDOT:PSS示意图;(b)在PEDOT:PSS表面和修饰的PEDOT:PSS表面制备的准二维钙钛矿薄膜的荧光光谱、器件性能及空穴传输动力学行为的对比。

空穴传输层PEDOT:PSS表面的性质调控是该研究工作的核心。近年来,周印华教授课题组聚焦于导电聚合物调控及应用、可印刷太阳能电池的界面及器件开展研究。前期,他们曾基于PEDOT:PSS透明电极的光学性质调控,实现了多彩有机及钙钛矿太阳能电池(Nano Lett., 2016, 16, 7829. J. Mater. Chem. C 2017, 5, 7884.);发展了高浓度PEDOT分散液配方,实现了高电导率、低方块电阻的自支撑导电聚合物膜(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 979.);并实现大范围可调的电子电导率和离子电导率,应用于柔性叠层太阳能电池(Mater. Horiz. 2016, 3, 452.)和储能电池(Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702314)。在界面研究方面,除了这一工作外,他们近期还报道了界面材料聚乙烯亚胺(PEI)及其衍生物乙氧基化的聚乙烯亚胺(PEIE)易与有机半导体光活性层的非富勒烯受体发生化学反应,降低器件的性能(J. Mater. Chem. A 2018, 6, 2273.);他们提出质子化策略,抑制了这一相互作用,获得高性能柔性有机太阳能电池(Adv. Mater., 2019, 1806616)。

本研究工作由华中科技大学武汉光电国家研究中心周印华教授课题组、材料学院彭平副教授课题组、香港中文大学路新慧教授课题组、中国科学院大连化学物理研究所金盛烨研究员课题组合作完成。该工作得到了国家自然科学基金、青年千人计划、华中科技大学自主创新基金、湖北省科技计划项目和中国博士后科学基金的经费支持。华中科技大学光电国家研究中心博士生刘铁峰和博士后蒋友宇为共同第一作者,周印华教授和香港中文大学路新慧教授为共同通讯作者。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-08843-5.