Energy Environ. Sci. 清华大学：以极低比例n型高效掺杂的反向钙钛矿太阳能电池

【引言】

有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）以其低成本、高效率的优势，成为了光伏领域潜在运用的有力竞争者，也引起了人们对有机半导体材料的大量研究。虽然反向结构的钙钛矿太阳能电池已经取得了极高的效率，但是由于电子传输材料PCBM的电子迁移率和导电性低，导致了相当低的短路电流。n型掺杂是提高钙钛矿太阳能电池短路电流的有效途径，然而传统的n型掺杂会导致开路电压和填充因子大幅度地降低，从而无法获得高效率的电池。而且高效n型掺杂到目前为止还很少报道，因此非常需要发展一种掺杂性能更好的新n型掺杂剂。

【成果简介】

清华大学的段炼研究员和王立铎教授（共同通讯作者）等设计和合成了一系列的具有不同掺杂能力的掺杂剂，1,3-Dimethyl-2-phenyl-2,3-dihydro-1H-benzoimidazole（DMBI）的衍生物，并且用这些n型掺杂剂来提高PCBM的电子迁移率和导电性。结果证明了通过一个更强的n型掺杂剂，就能够以极低的掺杂比例提高短路电流，同时也能提高填充因子以及最大限度地减少开路电压的损失。采用其中一个最强的掺杂剂掺杂，结果以0.05%的极低掺杂浓度就在反向钙钛矿太阳能电池中获得了超过18%的光电转换效率。这些结果打开了新型有机n型掺杂剂发展的道路，也提供了高性能反向钙钛矿太阳能电池。

【图文导读】

图1、新n型掺杂剂的基本特征

（a） 氢和电子转移的掺杂机理

（b） 设计的有机自由基的SOMO能量和SOMO的电子密度图

（c） 设计的前驱体分子结构

图2、不同n型掺杂剂掺杂的PCBM光学表征

（a） 纯的PCBM和n型掺杂的PCBM的电子顺磁共振（ESR）谱

（b） 纯的PCBM和n型掺杂的PCBM的紫外可见近红外吸收光谱

图3、纯的PCBM和n型掺杂的PCBM薄膜的电学表征

纯的PCBM和n型掺杂的PCBM薄膜的J-v曲线

图4、电池器件结构及性能表征

（a） 反向钙钛矿太阳能电池的结构示意图

（b） 相应的能级图

（c） J-v曲线

（d） 无掺杂及0.05%w掺杂的钙钛矿太阳能电池的稳定功率输出

图5、表面粗糙度及少子寿命表征

（a） 钙钛矿、钙钛矿/PCBM、钙钛矿/H3：PCBM的AFM图

（b） 钙钛矿、钙钛矿/PCBM、钙钛矿/H3：PCBM的时间分辨荧光光谱

图6、键能表征及能级图

（a） 纯的PCBM和不同掺杂浓度H3掺杂PCBM的UPS谱

（b） 纯的PCBM和不同掺杂浓度H3掺杂PCBM的能级图

文献链接：Efficient n-type dopants with extremely low doping ratios for high performance inverted perovskite solar cells （Energy Environ. Sci., 2016，DOI: 10.1039/c6ee01987k）

本文由材料人编辑部电子电工学术组lyh_wv供稿，材料牛编辑整理。

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