鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因低成本、高PCE和低溫制造等優勢成為光伏研究焦點。近期PCE已超26%，展現商業化潛力。倒置鈣鈦礦太陽能電池PSCs因成本效益高、適用于大規模印刷而受青睞。其中，電子傳輸材料（ETM）在電子收集、缺陷緩解和保護鈣鈦礦層方面至關重要。倒置鈣鈦礦太陽能電池PSCs中常用的ETL材料C60需要耗時昂貴的熱蒸發沉積，不利于大規模生產。為解決此問題，我們設計了創新的溶液可加工ETM，將非富勒烯受體片段嫁接到C60上。BTPC60表現出優異的溶液加工性能和分子堆棧，形成高電子遷移率的均勻有序薄膜。
于2024年9月11日 Angewandte(DOI: 10.1002/anie.202412819)，由香港城市大學朱宗龍等團隊發表中，介紹了新型溶液可加工電子傳輸材料BTPC60，由C60和非富勒烯受體片段組成。BTPC60具有優異的溶液加工性和有序分子堆棧，形成高電子遷移率薄膜。應用于倒置鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）時，BTPC60提高了電子提取效率并抑制非輻射復合。
基于BTPC60的鈣鈦礦太陽能電池PSCs實現了25.3%的功率轉換效率（PCE），在85℃下1500小時老化后仍保持90%初始值。BTPC60的電子傳輸層（ETL）具有優異的厚度容忍度，200 nm厚度下仍維持高PCE。
表S2. 基于代表性溶液處理的逆轉PSCs的器件性能
新型富勒烯衍生物BTPC60優化手法
BTPC60作為倒置鈣鈦礦太陽能電池PSCs的ETL，增強了電子提取效率，并有效鈍化界面缺陷。在氮氣環境中85°C、1500小時老化后，基于BTPC60的PSCs仍保持25.3%的高PCE和90%初始值。BTPC60 ETL還具有優異的膜厚容忍度，200nm厚度下PCE達24.8%。研究結果表明BTPC60是具前景的溶液可加工富勒烯基ETM，為提高高效穩定倒置型PSCs的可擴展性提供新方案。
然而，常用ETM材料C60需要昂貴的熱蒸發加工，且易凝聚，難以大規模生產。
研究人員致力開發溶液處理富勒烯衍生物或非富勒烯受體（NFAs）作為ETMs。但即使最佳可溶解富勒烯如PC61BM，也存在光化學穩定性差和易聚集等問題，影響電子傳輸和器件壽命。
本研究提出創新方案，將NFA片段嫁接到C60上，設計出新型富勒烯衍生物BTPC60。此設計打破C60緊密排列，增強富勒烯和NFA相互作用，形成分子排列，改善薄膜形貌和電子傳輸性能。BTPC60還具有良好能級對齊和缺陷鈍化效果。
以下為透過論文及補充資料所匯整出的研究手法說明:
材料合成與溶液加工技術：
開發了一種新的溶液可加工電子傳輸材料（ETM）其合成為具有特定結構的富勒烯衍生物稱BTPC60，結合了C60和非富勒烯受體片段。通過核磁共振（NMR）、質譜（MS）等手段進行結構表征。
將非富勒烯受體片段嫁接到C60上，這種設計可以破壞C60籠子的緊密排列，改善膜的形態和電子傳輸性能。
o 合成過程中通過核磁共振（NMR）、質譜（MS）等手段進行結構表征。
太陽能電池制備：
使用ITO導電基板，經過清潔和UV-ozone處理。
制備鈣鈦礦前驅體溶液，并通過旋涂和反溶劑滴加技術制備鈣鈦礦薄膜。
旋涂BTPC60作為電子輸運層（ETL），以及熱蒸發BCP和銀作為頂部電極。
研究表明，BTPC60能夠形成均勻且結構有序的薄膜，這種薄膜具有高電子遷移率，對于提高太陽能電池的效率至關重要。
器件表征與性能測試：
使用XRD分析鈣鈦礦薄膜的晶體結構。
使用SEM和AFM觀察薄膜表面形態。
使用EQE系統測量外部量子效率。
· 使用Xenon燈太陽仿真器測量J-V曲線，評估太陽能電池的光電轉換效率。
正向掃描：
短路電流密度 (JSC)：25.4 mA/cm2
開路電壓 (VOC)：1.17 V
填充因子 (FF)：83.7%
功率轉換效率 (PCE)：24.9%
反向掃描：
短路電流密度 (JSC)：25.5 mA/cm2
開路電壓 (VOC)：1.18 V
填充因子 (FF)：84.0%
功率轉換效率 (PCE)：25.3%
進行熱穩定性測試，評估器件在85℃下的穩定性。
研究團隊使用光焱科技AM1.5G 太陽光模擬器及QE-R量子效率解決方案，上圖為設備示意圖。
理論計算與模擬：
使用密度泛函理論（DFT）計算BTPC60分子的幾何優化、振動頻率和靜電勢表面。
使用分子動力學（MD）模擬BTPC60薄膜的分子堆棧行為。
電學性能測量：
使用空間電荷限制電流（SCLC）測量電子遷移率和缺陷密度。
使用循環伏安法（CV）測量材料的氧化還原電位。
光學性能測量：
使用紫外-可見-近紅外吸收光譜（UV-vis-NIR）測量材料的吸收特性。
使用時間分辨光致發光（TRPL）測量材料的載流子壽命。
富勒烯衍生ETM有效突破PCE>25.3%
研究團隊報告了一種新穎的溶液法制備的富勒烯衍生的ETM（BTPC60），通過將Y6型NFA片段嫁接到C60籠上。NFA片段的引入引發了強大而特定的C60-NFA和NFA-NFA分子間相互作用，有效抑制了C60籠的自聚集，并促進了薄膜狀態中有序堆疊，從而導致出色的溶解性、加工性和高電子遷移率。此外，當作為倒置式PSCs中的ETM時，BTPC60還表現出合適的能級、強大的鈍化能力和良好的與鈣鈦礦的界面接觸。因此，利用溶液法制備的BTPC60的器件實現了高達25.3%的PCE，并在85°C的N2環境下經過1500小時后保持了將近90%的初始效率。此外，由于其出色的溶液加工性和薄膜狀態中的有序分子堆疊，基于BTPC60的器件表現出顯著的厚度容忍度，甚至在厚度達到200 nm時也實現了24.8%的高效率。并有
這項研究提出了一種針對高效和穩定的倒置鈣鈦礦太陽能電池PSCs的溶液加工ETMs的有效分子設計策略。此外，考慮到BTPC60的相對復雜合成，迫切需要研究低成本和高效的溶液加工ETMs，進而可推動鈣鈦礦太陽能電池PSCs的大規模商業化。
文獻參考自Angewandte Sep.11 2024_Doi:10.1002/anie.202412819
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