电子传输材料能级调控对钙钛矿太阳能电池开路电压的影响研究

Improvement of built-in voltage and reduction of exciton recombination rate, are two key ways to improve the open-circuit voltage (VOC) of the perovskite solar cells (PSCs). Built-in voltage and exciton recombination mainly depends on the hole-transporting materials (HTMs) and electron-transporting materials (ETMs) contacting perovskite layer. The previous optimization of HTM energy levels for matching perovksite has greatly enhanced device VOC. While the employed ETMs are mainly C60 and PCBM, whose LUMO and HOMO energy levels are not well matched with that of perovskite, leading to lower device VOC. The applicant plans to design and synthesize a series of perylene polyimide based ETMs with high chemical stability, electron mobility, well matched energy levels of perovskite. These ETMs possess higher LUMO level and lower HOMO level. The high LUMO level results in high quasi-fermi level (Efn), thus enhancing built-in voltage. Low HOMO enbles ETM blocking hole flux to cathode, thus saving hole-blocking material, which reduces the interfaces between layers and potentially lowers charge recombination rate. Therefore the utilization of these ETMs benefits for obtianing high device VOC. It has great significance for improving photoelectric conversion efficiency and exploring the relationship between VOC and interfacial material energy levels.

提高内建电场和降低界面激子复合机率是提高钙钛矿太阳能电池开路电压(Voc)的重要途径。内建电场和界面激子的复合机率主要取决于和钙钛矿层接触的空穴传输材料和电子传输材料。过去的工作通过对空穴传输材料能级优化大大提高了器件Voc；而电子传输材料主要是C60和PCBM，其最低未占分子轨道(LUMO)和最高占据分子轨道(HOMO)能级与钙钛矿材料的不太匹配，导致低的Voc。申请人拟通过合理设计、合成一系列基于苝酰亚胺，具有高光化学稳定性、高电子迁移率，与钙钛矿材料能级匹配的电子传输材料。这些材料具有较高的LUMO能级，可以提升电子的准费米能级(Efn)，增加内建电场；同时具备较低HOMO能级，可以省去空穴阻挡层，减少器件界面，降低激子复合几率，从而来达到提高Voc的目的。这对于进一步提高钙钛矿太阳能电池的效率和探究其Voc与界面层能级之间的关系具有重要意义。

研究和发展高效率、低成本的钙钛矿太阳能电池具有巨大的理论和产业化意义，其关键是提高电池的转化效率和降低界面层材料成本。目前报道的开路电压（VOC）实验值还大大低于理论值，具有进一步提高的潜力。钙钛矿太阳能电池的实际输出的VOC较低是因为电压在器件内部的损失造成的。而电压的损失主要取决于器件内的激子复合和内建电场。内建电场越大，VOC越高；激子复合越严重，VOC损失越多。器件内的激子复合主要是各界面间的激子复合，选择合适的界面层材料可以大大提高从钙钛矿层抽取载流子并转移到电极表面的能力，有效减少界面的激子富集与复合。内建电场主要取决于钙钛矿材料与界面层的能级。由此可见，界面层材料对提高VOC有着非常重要的意义。基于反向平面钙钛矿电池来研究界面层材料和器件开路电压之间的关系具有非常重要的意义和可行性。.首先设计合成n-型半导体苝酰亚胺类、萘酰亚胺类小分子；通过在苝酰亚胺或萘酰亚胺母体引入不同电子类型的取代基团，来调节电子传输材料能级，从而来提高器件的内建电场，有效提高器件的VOC；通过提高电子传输材料的迁移率有效提高器件的VOC。通过几类材料及器件性能的研究发现，界面层材料能级、迁移率是制约器件VOC的首要因素，其次是界面层材料成膜性、与相邻层之间的浸润性。与传统的电子传输层材料C60/BCP相比，优化的苝酰亚胺类小分子具有更高的迁移率，有效降低了载流子在电子传输层内及界面的复合程度，提高了填充因子和电流密度，有效提高器件效率，完成了项目设定的所有技术目标，已发表SCI论文5篇，中文核心期刊论文1篇，专利3件（其中授权1件），培养研究生6名。