26.17%认证效率的正式结构钙钛矿太阳能电池是怎么做出来的？引入超薄p型聚合物中间层D18华侨大学魏展画&谢立强NC

摘要

背景问题：n-i-p结构的高效钙钛矿太阳能电池使用寿命有限，主要是由于钙钛矿/掺杂空穴传输层异质结中的层间离子扩散，导致HTL的电导率下降和钙钛矿中的组分损失。

解决策略：在钙钛矿太阳能电池（PSC）中引入超薄（约 7nm）p 型聚合物中间层（D18）的方法，该中间层在钙钛矿和空穴传输层（HTL）之间具有出色的离子阻挡能力，有效提高了电池的效率和稳定性。

研究团队：华侨大学魏展画&谢立强团队

研究结果：超薄的D18中间层有效地抑制了锂、甲基铵、甲酰胺和碘离子的层间扩散。此外，D18改善了钙钛矿/HTL界面的能级排列，促进了高效的孔提取。

器件性能：在孔径面积为0.12和1.00平方厘米的情况下，PSCs的效率分别为26.39%（经认证为26.17%）和25.02%。值得注意的是，在最大功率点跟踪运行1100小时后，器件保持了95.4%的初始效率，代表了高效n-i-p PSC的显著稳定性进步。

01

p型聚合物D18

    选择有机太阳能电池中常用的 p 型聚合物 D18 作为中间层材料，因其具有大的分子平面，可增强 π-π 堆叠，形成致密薄膜，有效抑制离子扩散；在稀释溶液中具有强温度依赖性聚集，在凝聚相中有序堆积，室温下旋涂 Spiro-OMeTAD 不会损坏 D18 的完整性；与相邻的钙钛矿和 Spiro-OMeTAD 能级匹配，且空穴迁移率高（

）。

化学结构

D18 的化学名称为 PDTBT2T - FTBDT，其分子结构中包含具有大平面的稠环受体单元 dithieno [3′,2′:3,4;2'',3'':5,6] benzo [1,2 - c][1,2,5] thiadiazole（DTBT）。

增强的 π - π 堆叠

DTBT 单元有助于增强聚合物主链的 π - π 堆叠作用，使得 D18 能够形成紧密堆积且致密的薄膜结构，这为其有效阻挡离子扩散提供了结构基础。

温度依赖性聚集

在稀释溶液中，D18 表现出强温度依赖性聚集特性，在高温时更有利于形成良好的薄膜形态。同时，在凝聚相中它能有序堆积，确保在后续制备过程中（如室温下旋涂 Spiro - OMeTAD）其结构完整性不受影响。

能级匹配与高迁移率

D18 与相邻的钙钛矿和Spiro-OMeTAD 具有匹配的能级排列，这有助于促进电荷在不同层间的传输。其空穴迁移率高达

，能够有效传输光生空穴，是其作为空穴选择性中间层的关键特性之一。

02

器件制备

1、将 FTO 基板依次在 2% Hellmanex 溶液、去离子水、异丙醇和乙醇中超声处理 20 分钟进行清洗。

2、采用化学浴沉积方法制备

层，并在空气中 170°C 退火 60分钟，在钙钛矿沉积前，用

等离子体处理

基板10分钟。

3、钙钛矿薄膜通过两步溶液法制备：将

溶液（1.5M，溶解于 DMF/DMSO（体积比 9:1））与 5% CsI 混合，以 2000rpm 的转速旋涂在

基板上 30 秒，然后在 70°C 退火 1 分钟；将有机盐溶液（FAI 0.55M；MACl 0.12M；MAI 0.02M；GAI 0.01M，溶解于 IPA）以 1700rpm 的转速旋涂在

薄膜上 30 秒，然后在 150°C、40% 相对湿度的空气中退火 15 分钟；将 OAI（

，溶解于 IPA）以 5000rpm 的转速旋涂在钙钛矿薄膜上 30 秒，然后在 100°C 退火 3 分钟。对照器件和 D18 器件均用 OAI 钝化。

对于D18覆盖的钙钛矿，将D18溶液（

，溶解于CB并在90°C 搅拌2小时）以3000rpm的转速旋涂在钝化后的钙钛矿薄膜上 30 秒。

4、空穴传输层通过旋涂 Spiro-OMeTAD 溶液（

，溶解于 CB）制备，该溶液掺杂 36.1μL TBP 和 21.9μL Li - TFSI（

，溶解于乙腈），以 3000rpm 的转速旋涂 30 秒。

5、最后，在空穴传输层上热蒸镀100nm的Au或Ag电极完成器件制备。

薄膜制备

为研究不同聚合物抑制离子扩散的有效性，将

溶液（0.4M）以 2000rpm 的转速旋涂在玻璃基板上 30 秒，然后在 100°C 退火 5 分钟制备

薄膜。将 D18、P3HT 和 PTAA 溶液（2、4、6、

）以 3000rpm 的转速旋涂在

薄膜上 30 秒，然后将 FAI 溶液（0.4M）以 1700rpm 的转速旋涂在

、

和

薄膜上 30 秒，再在 100°C 退火 10 分钟。

03

图文信息

04

论文信息

论文标题：“Ultrathin polymer membrane for improved hole extraction and ion blocking in perovskite solar cells”（用于改善钙钛矿太阳能电池中空穴提取和离子阻挡的26.17%）

发表期刊：Nature Communications（《自然通讯》）

发表时间：2024 年 12 月 30 日

研究单位：华侨大学魏展画、谢立强等人