极化铁电聚合物材料提升MAPbI3光伏器件的光电转换效率

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嘴笨 近年来基于有机无机杂化地有机金属卤化物钙钛矿发展非常太快,否则 ,对于进一步地发展和应用仍然存在某些现象。首先,一步旋涂法中的不可控无序结晶,难以避免的电荷不足,和界面电荷积累成为亟待避免的现象。否则 ,怎么可否再控制光吸收层地结晶的并肩减少器件能量损失成为有有一个多重要的研究方向。

近日,苏州大学廖良生教授、王照奎教授,联合美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)杨阳教授利用极化的铁电聚合物材料P(VDF-TrFE)有效地将基于MAPbI3光伏器件的开路电压提高到1.14 V,得到21.28%光电转换时延。该工作利用铁电聚合物某些的永久极化结构对光吸收层块体和界面施加了稳定的偶极,实现高的器件内建电势,从而减少非辐射复合和能量损失。并肩利用该聚合物中所含的F元素与MAPbI3晶体存在的氢键相互作用来引导钙钛矿晶体的更有序结晶。并肩发现,具有更高生于极化时延(Pr)和更大矫顽场(Ec)的铁电聚合物具有更强的优化效果。基于此,实现了低损耗高时延的稳定钙钛矿太阳能电池。

该文章发表在国际顶级期刊Advanced Materials上。博士生张丛丛为本文第一作者。并肩通讯作者为苏州大学的廖良生教授、王照奎教授和美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)杨阳教授。

【内容表述】

为了减少器件的能量损耗,提高内建电场(BIF)是尤为重要的。可能性内建电场是驱动载流子分离和传输的重要驱动力,可能性动力不足,载流子就非要被充分抽取,可能性再传输的过程中就会被不足捕获,从而引起能量损耗。众所周知,铁电材料拥有很好的自身极化结构,还要施加永久的稳定的附加电势,否则 ,将具有优异性能的铁电材料运用到光伏电池中还要有效的提高BIF,从而提高器件的光伏性能。并肩,钙钛矿薄膜的结晶性能也与能量损耗息息相关,小的钙钛矿晶粒就原困更多的晶界,而晶界是载流子存在复合的主要位置,否则 提高钙钛矿晶体的晶粒大小也是尤为重要的。

首先,研究者将极化的铁电聚合物(PFE)掺杂到钙钛矿光吸收层中,通过1H-NMR,Raman和XPS等光谱的研究发现,PFE中的F元素还要与MAPbI3晶体通过氢键形成较强的关联作用,某些关联作用还要减缓钙钛矿晶体的结晶时间,并肩利用PFE在外加电场中的有序极化排列来引导MAPbI3晶体,使其趋向于载流子运输的方向有序排列,并肩某些规则的排列还要减少晶粒间的空洞和不足,形成更大颗粒的钙钛矿晶体。

图1掺杂的PFE与钙钛矿晶体的相互作用(a)1H-NMR,(b)Raman,(c)XPS,(d-g)相互作用示意图,(h)退火过程的颜色变化

但是 ,将单层的PFE薄膜作为一层偶极层夹在光传输层和空穴传输层之间,期望形成一层永久的偶极层,给内建电势施加额外的驱动力,减少界面电荷积累和载流子传输势垒,通过器件的IV光伏性能,EIS,瞬态光电流(TPC),瞬态光电压(TPV)和器件整流效应的分析大家还要发现,PFE夹层还要非常明显的减少载流子传输电阻,将载流子的复合时间提高到40.31μs,载流子的传输时间降低到0.74μs。并肩通过整流分析大家还要发现,相对于比不在 夹层的器件,它表现出更优异的半导体性能。

图2夹层PFE运用到器件中的广电性能(a)I-V,(b)EIS,(c)TPV,(d)TPC,(e-f)整流分析

图3将掺杂和夹层并肩运用到钙钛矿太阳能电池中(a)I-V,(b)最高时延器件,(c)时延统计分布,(d)迟滞因子分布,(e-f)能量损耗分析

最后,将掺杂和夹层并肩运用到钙钛矿太阳能电池中,实验了1+1>1的优化效果,得益于高的内建电势和少的载流子复合几率,实现了低迟滞效应和低能量损耗的高效光伏器件。

【结论】

含F的极化铁电聚合物还要有效的提高钙钛矿太阳能电池的内建电势和光吸收层薄膜的结晶度,在提高载流子传输时延的并肩还能减少块体结构和界面的非辐射复合。

Cong-CongZhang,Zhao-Kui Wang*,Shuai Yuan,Rui Wang,Meng Li,Musibau Francis Jimoh,Liang-Sheng Liao*,and Yang Yang*,Polarized Ferroelectric Polymers forHigh-Performance Perovskite Solar Cells,Adv.Mater.,2019,DOI:10.2002/adma.201902222

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