行業(yè)動(dòng)態(tài)
行業(yè)動(dòng)態(tài)
介紹下卷對(duì)卷涂布技術(shù)涂布對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的簡(jiǎn)單方法
譯者介紹
侯和平，中國(guó)涂布技術(shù)研究編委，西安理工大學(xué)副教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師。主要從事印刷裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與智能故障診斷，涂布產(chǎn)品干燥工藝與烘干箱性能優(yōu)化，機(jī)器人技術(shù)及其在印刷智能工廠中的應(yīng)用等研究。
中國(guó)涂布技術(shù)研究全文翻譯國(guó)際知名期刊《communications materials》論文——《Selecting non-halogenated low-toxic hole transporting materials for Roll-to-Roll perovskite solar cells using carbon electrodes》（譯名：卷對(duì)卷涂布技術(shù)優(yōu)化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能的最新研究成果）。文章對(duì)四種廣泛使用的HTL材料：spiro-MeOTAD、PEDOT、PTAA和P3HT進(jìn)行了深入的比較分析，并評(píng)估了它們的可擴(kuò)展性、對(duì)器件性能的影響，以及在不同濕度和溫度條件下的穩(wěn)定性。為通過(guò)R2R涂布技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)并優(yōu)化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能提供了新的見(jiàn)解。
摘要
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在成本效益高、效率高的可再生能源發(fā)電方面充滿希望，但其商業(yè)化受限于可擴(kuò)展制造方法。卷對(duì)卷（R2R）加工是大規(guī)模生產(chǎn)的有前景的解決方案，R2R涂布碳電極提供了包括低成本制造和高穩(wěn)定性等額外的優(yōu)勢(shì)，在鈣鈦礦和碳之間引入兼容的空穴傳輸層顯著提高了性能。因此，本文介紹了一項(xiàng)比較四種中間層（SpiroMeOTAD、PTAA、PEDOT和P3HT）在涂布中效率、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性的研究。結(jié)果顯示，Spiro-MeOTAD和PTAA與碳電極不兼容，而PEDOT和P3HT顯示出良好的結(jié)果。除了光伏性能外，對(duì)P3HT和PEDOT在穩(wěn)定性、毒性和成本方面的比較表明，P3HT在擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模方面可能是更優(yōu)的選擇。這些發(fā)現(xiàn)為通過(guò)R2R涂布技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)并優(yōu)化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能提供了寶貴的見(jiàn)解。
設(shè)備配置
我們之前的研究介紹了在鈣鈦礦器件上成功實(shí)現(xiàn)了所有層的R2R涂布，包括頂電極。通過(guò)這項(xiàng)工作，我們揭示了PEDOT層對(duì)改變鈣鈦礦空穴傳輸材料碳界面的實(shí)質(zhì)性影響，從而證明了它對(duì)整體器件性能的重大影響。在這些發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，本研究的重點(diǎn)是調(diào)查哪種傳統(tǒng)空穴傳輸材料可以作為平面NIP堆疊材料PEDOT的替代材料。
盡管PEDOT(商業(yè)上稱為HTL SOLAR3)已經(jīng)用于生產(chǎn)，但其在環(huán)保型溶解、成本效益以及大規(guī)模生產(chǎn)的可擴(kuò)展性方面還是具有局限性。這些局限使得需要尋找一種替代HTL的材料來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，并為具有可持續(xù)性和成本效益的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制造工藝提供途徑。
圖1展示了我們的涂層堆疊示意圖，包括的空穴傳輸材料有：spiro-MeOTAD、PTAA、P3HT和PEDOT，這幾種材料均有可能應(yīng)用到R2R涂布工藝中。
圖1 碳電極包覆R2R涂布鈣鈦礦太陽(yáng)能電池原理圖
展示了采用多種空穴傳輸候選材料(包括spio - meotad、PTAA、P3HT和PEDOT)的平面NIP 堆疊[氧化錫(SnO2)/鈣鈦礦(MAPI)/HTL/碳]鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)
在挑選四種HTLs作為本次研究對(duì)象時(shí)，我們戰(zhàn)略性地選擇了那些不僅在平面NIP堆疊鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中使用最廣泛的HTLs，而且還展現(xiàn)出與可擴(kuò)展太陽(yáng)能電池生產(chǎn)目標(biāo)一致的幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。據(jù)報(bào)道，這些材料的器件性能一直是最高的，凸顯了它們?cè)谔岣哜}鈦礦太陽(yáng)能電池效率方面的有效性。除此以外，這些選擇還受到實(shí)際因素的影響。這些HTL以易于涂布而著稱，這是確保均勻涂布的關(guān)鍵因素，對(duì)優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行也至關(guān)重要。此外，它們與R2R涂布工藝的兼容性也是一個(gè)決定性因素，因?yàn)樗梢灾圃炜蓴U(kuò)展的、具有成本效益的太陽(yáng)能電池板。我們之所以關(guān)注這些材料，是為了更深入地了解它們?cè)谏虡I(yè)規(guī)模應(yīng)用方面的潛力，解決從實(shí)驗(yàn)室研究到工業(yè)生產(chǎn)過(guò)渡的關(guān)鍵性能和可制造性方面的問(wèn)題。
除上述外，本研究中空穴傳輸材料選擇的其他標(biāo)準(zhǔn)是基于能量對(duì)齊和狹縫涂布的前期示范。這四種HTLs的波段能量對(duì)齊也分別顯示在補(bǔ)充圖1中。
補(bǔ)充圖1 Spiro、PEDOT、P3HT和PTAA的能帶比較，旨在應(yīng)用于NIP型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的空穴傳輸層。
Spiro-MeOTAD
在鈣鈦礦平面NIP堆疊中的各種空穴傳輸材料中，Spiro-MeOTAD與LiTFSI, 4-叔丁基吡啶(tBP)和FK209等成為摻雜劑結(jié)合使用時(shí)最常用的材料。這是因?yàn)槠涮厥獾碾姾赊D(zhuǎn)移特性和容易形成均勻緊湊的空穴傳輸層的能力。然而，如圖2所示雖然Spiro-MeOTAD在具有金電極的自旋涂層器件中應(yīng)用普遍存在，但在具有碳頂電極的PSCs中的性能明顯較差，導(dǎo)致器件效率明顯降低。
這兩種器件除頂部電極外都是用相同的制備方法沉積所有涂層?？紤]到碳電極高導(dǎo)電性(薄層電阻:5 Ω sq-1)和均勻性，我們開(kāi)始探討碳墨水與螺線管的兼容性以及碳層的干燥過(guò)程是否會(huì)改變各層的化學(xué)結(jié)構(gòu)等問(wèn)題。這兩種情況中的任何一種都可能導(dǎo)致鈣鈦礦層和頂部電極之間的弱電極傳輸(圖2a)。
這種差異可以歸因于在螺線管/碳結(jié)構(gòu)中鈣鈦礦到碳電極的電荷轉(zhuǎn)移減少或電荷重組增加，而螺旋/金結(jié)構(gòu)顯示出更高的電流密度使電池具有更高的PV性能。
圖2b EQE結(jié)果也證實(shí)了這個(gè)概念。采用金頂層電極的器件具有更高的電流密度和EQE，擁有更低的復(fù)合和更好的電荷傳輸效果。進(jìn)一步證實(shí)這一觀點(diǎn)的是后續(xù)的額外表征，特別是溶劑洗滌前后Spiro層的XPS結(jié)果(補(bǔ)充圖2和補(bǔ)充表1)。XPS圖顯示了洗滌后Spiro層的顯著組成變化，包括去除添加劑(LiTFSI和FK209中的Li, F, Co)和元素組成的變化，氮和氧減少，碳增加。此外，水洗后觀察到的鉛和碘離子表面濃度增加，這表明了一些涂層經(jīng)過(guò)水洗后被去除，但不足以表明完全消除了斯皮羅層。
相反，這些發(fā)現(xiàn)說(shuō)明了Spiro層會(huì)發(fā)生分解或結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致其空穴傳輸特性喪失。有無(wú)螺旋層的器件的J—V曲線和圖框PCE結(jié)果的相似情況進(jìn)一步說(shuō)明了在涂有碳層后部分去除螺旋層并發(fā)生化學(xué)變化的觀點(diǎn)，如圖2c所示。此外，鈣鈦礦/螺旋樣品的實(shí)際照片也顯示出明顯的變化，如圖2d所示。由于成分的變化，加熱會(huì)輕微改變涂層的顏色(XPS補(bǔ)充表1)，而用碳墨溶劑(2-甲基甲磺酸)洗滌涂層則會(huì)完全去除螺旋層。
PTAA
PTAA由于其優(yōu)越的空穴傳輸性能和卓越的熱穩(wěn)定性而成為一種非常有發(fā)展前途的中間層。為了評(píng)估其適用性，我們?cè)谔茧姌O基PSCs中進(jìn)行了PTAA (o -二甲苯)的性能分析和相容性評(píng)估。我們制備了玻璃/鈣鈦礦/PTAA樣品作為相容性評(píng)估的一部分，然后用碳墨水溶劑2-甲基甲磺酸對(duì)它們進(jìn)行處理。圖3a清楚地顯示了該層淬火能力的明顯變化。為了進(jìn)一步了解，還對(duì)類似樣品進(jìn)行了2-甲基甲磺酸洗滌前后的XPS映射(圖3b，補(bǔ)充圖2和補(bǔ)充表2)。
補(bǔ)充圖2 在用鄰甲苯胺洗滌前后，Spiro層中的Li、F、I、C、O和N元素的XPS元素圖譜。
為了確定PTAA在鈣鈦礦層上的覆蓋范圍，于是在鈣鈦礦層表面檢測(cè)了碘化物和鉛兩種元素。從圖3b中可以看出，在洗滌之前樣品明顯有效地完全覆蓋了底層鈣鈦礦層。用溶劑洗滌樣品后獲得的XPS圖可以明顯觀察到表面有碘化物和鉛的跡象，驗(yàn)證了碳墨水部分去除下層PTAA的假設(shè)。結(jié)合這些結(jié)果，比較了碳電極器件和金電極器件的光伏性能。圖3c、d的J—V曲線和PCE圖框結(jié)果清楚地表明，PTAA/金電極器件的效率隨著PTAA濃度(厚度)的增加而提高。為了獲得更大的厚度，我們還生產(chǎn)了雙層涂層PTAA層的PSCs，曲線顯示，雙層涂層的PTAA濃度越高，電流密度越高(圖3c, d)。相反，圖3e, f顯示PTAA/碳電極器件在所有濃度下都表現(xiàn)出較低的轉(zhuǎn)化效率，幾乎沒(méi)有變化。我們還觀察到所有的金電極器件呈現(xiàn)s形曲線，證實(shí)了之前弱PL淬火前溶劑洗滌的發(fā)現(xiàn)。即使PTAA/ 金電極設(shè)備是可操作優(yōu)化的(優(yōu)化功率轉(zhuǎn)換效率 ~12%)，它們也可能不是空穴傳輸材料的最佳性能選擇，除非進(jìn)行額外的優(yōu)化。在PTAA/碳電極的PSCs中，無(wú)論層厚或溶液濃度如何，PV性能與PL和XPS結(jié)果相似，證明了PTAA和2-甲基甲磺酸是不相容的。
P3HT
在深入研究了涂布有2-甲基苯胺基碳涂層的螺旋和PTAA的空穴傳輸材料的缺點(diǎn)和兼容性挑戰(zhàn)之后，我們的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了另一種待定的空穴運(yùn)輸材料上。P3HT，這種材料不溶于2-甲基苯胺。P3HT因其在PSCs中作為導(dǎo)電、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的空穴傳輸材料而獲得了廣泛的認(rèn)可。值得注意的是，P3HT在高毒性溶劑氯苯和氯仿中表現(xiàn)出高溶解度，這兩種溶劑都因其潛在的健康危害而設(shè)有工作場(chǎng)所暴露限值。由于氯苯的工作場(chǎng)所暴露限值(WEL)很低，它的使用會(huì)受到一定限制， ACGIH設(shè)定的8小時(shí)時(shí)間加權(quán)平均(TWA)限值為10ppm。氯仿也有相同的ACGIH 8-h TWA限制為10ppm，這使得兩者都不適用于大面積的涂層系統(tǒng)。因此，它的應(yīng)用僅限于小體積的產(chǎn)品，以確保符合安全使用限制。且處理大量氯苯將需要執(zhí)行嚴(yán)格和昂貴的遏制和監(jiān)測(cè)措施，在考慮大規(guī)模使用這種溶劑時(shí)，其所產(chǎn)生的環(huán)境影響將引起額外的關(guān)注。因此，需要使用低毒性的溶劑來(lái)取代氯苯并完全溶解P3HT。
為了解決這一問(wèn)題，我們比較了P3HT在低(鄰二甲苯)、中(甲苯)和高(氯苯)毒性溶劑中的溶解度。與氯苯和氯仿相比，前兩種溶劑擁有更高的工作場(chǎng)所暴露限值，分別為50 ppm(甲苯)和100 ppm(鄰二甲苯)，表明了這兩種溶劑毒性較低。因此，它們?yōu)樵赗2R涂布的開(kāi)放空間環(huán)境中處理和工作提供了更安全的選擇。補(bǔ)充表3概述了與氯苯、甲苯和鄰二甲苯相關(guān)的毒性危害。
為了確定在選擇的低毒溶劑系統(tǒng)中的最佳溶解度，檢查了這些溶劑中含有的不同濃度的P3HT。觀察表明，當(dāng)放置在70°C的熱板上時(shí)(圖4a)，所有三種溶劑都表現(xiàn)出很強(qiáng)的溶解P3HT的能力。但當(dāng)冷卻至室溫時(shí)，P3HT在甲苯和鄰二甲苯中的溶解度與在氯苯中的溶解度不同。這些溶液經(jīng)歷了從清澈的橙色液體到深色凝膠狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)變。(見(jiàn)圖4b)。
此外，具有較高分子量的P3HT從螺旋狀轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻罹酆衔锏膬A向降低，以及從棒狀聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀(結(jié)晶)的傾向降低。圖4c表明，分子量(MW)為50-70 K的P3HT與分子量為30-60 K的P3HT相比，更不容易發(fā)生凝膠化。為了延長(zhǎng)P3HT溶液在鄰二甲苯中的耐久性和延遲凝膠過(guò)程，在應(yīng)用前對(duì)溶液進(jìn)行了10分鐘的超聲處理，延緩凝膠發(fā)生的過(guò)程，從而延長(zhǎng)了溶液的使用壽命。
與螺旋和PTAA的PL淬滅相反，P3HT層被2-甲基甲醚洗滌前后的PL光譜表現(xiàn)出優(yōu)異的淬滅效果，表明進(jìn)行了有效的電荷轉(zhuǎn)移，并突出了其與該碳墨水的高相容性(圖4d)。為了評(píng)估P3HT這種空穴傳輸材料在自旋涂布器件中的性能，我們對(duì)P3HT濃度及其摻雜劑（LiTFSI和tBP）進(jìn)行了優(yōu)化。
圖4e為不同摻雜量(LiTFSI:tBP= 1:1)的鄰二甲苯中P3HT濃度為20 mg ml−1的優(yōu)化J-V曲線和箱形圖結(jié)果。從圖4e的圖框可以看出，P3HT溶液中摻雜劑的濃度上限為40μl。超過(guò)這個(gè)濃度，涂層的質(zhì)量會(huì)嚴(yán)重受損，導(dǎo)致生產(chǎn)的器件完全缺乏相應(yīng)的PV性能。結(jié)果表明，在1 ml P3HT溶液中以1:1的比例加入30μl的LiTFSI:tBP溶液時(shí)PCE最高。此外，圖4f顯示了涂有鄰二甲苯和氯苯溶液的P3HT層的性能比較。鄰二甲苯中P3HT的功率轉(zhuǎn)換效率最高為12.87%，氯苯為13.71%。這種差異是由于P3HT在氯苯中的溶解度大于鄰二甲苯，從而產(chǎn)生了載體動(dòng)力學(xué)的差異。結(jié)果也表明，鄰二甲苯可以作為一種低毒替代溶劑，以取代劇毒的氯苯。考慮到PV的性能以及毒性問(wèn)題，鄰二甲苯似乎是一種很有前途的替代溶劑，可以在更大的范圍內(nèi)溶解P3HT和涂層。
PEDOT
四種空穴傳輸材料性能概述
在這一節(jié)中，將從對(duì)這四種材料的單獨(dú)分析過(guò)渡到對(duì)它們各自特征的比較分析。在這里，我們進(jìn)一步討論了為什么P3HT和PEDOT都證明了與完全R2R涂布制造方法在器件制造中的兼容性。
從圖5a Spiro層、PTAA層、P3HT層和PEDOT層在溶劑相容性測(cè)試洗滌前后的粗糙度比較表明，在四種空穴傳輸材料中，Spiro層的表面最光滑(RMS: 2.45 nm，平均值:9.03nm)。然而，其粗糙度在水洗后顯著增加(RMS:11.26 nm，平均值:36.9nm)，收斂到鈣鈦礦層的范圍(RMS:14.5 nm，平均值:38.33 nm)。同樣，PTAA洗滌后的粗糙度(RMS:10.42 nm，平均值:41.9 nm)也比洗滌前的粗糙度(RMS: 5.31 nm，平均值:23.4nm)有所增加。相比之下，P3HT和PEDOT在水洗前后的粗糙度變化很小，再次證明了它們與溶劑的相容性。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了在選擇鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的空穴傳輸材料時(shí)考慮溶劑相容性以提高器件性能和穩(wěn)定性的重要性。
MAPI/spiro、MAPI/PTAA、MAPI/PEDOT和MAPI/P3HT樣品的溶劑相容性穩(wěn)態(tài)PL和TRPL結(jié)果表明，P3HT和PEDOT在水洗前后相容性的趨勢(shì)也比較相似。此外，與PEDOT相比，結(jié)果顯示P3HT樣品中的淬火時(shí)間略長(zhǎng)，衰變時(shí)間較短(參見(jiàn)圖5b, d)?；谶@些結(jié)果以及相關(guān)器件的功率轉(zhuǎn)換效率(圖5c)，我們可以推斷在P3HT中觀察到的淬火時(shí)間增加和衰變時(shí)間縮短是由于存在與涂層缺陷相關(guān)的更高的電荷重組率現(xiàn)象。
圖5c展示了使用了四種空穴傳輸材料的設(shè)備的統(tǒng)計(jì)PV性能情況，并與沒(méi)有采用以上材料涂層的設(shè)備對(duì)比，很明顯，使用Spiro和PTAA的設(shè)備性能沒(méi)有得到明顯的改善。相比之下，結(jié)合P3HT和PEDOT的器件在轉(zhuǎn)化效率方面有顯著的提高。如前所述，使用螺旋和PTAA的器件低性能的原因是在碳電極涂層涂布過(guò)程中被2-甲基苯甲酯部分去除，另一方面，在采用P3HT和PEDOT的器件中觀察到的PV性能增強(qiáng)表明，它們不僅與2-甲基苯甲醚兼容，而且具有高電荷選擇能力，強(qiáng)調(diào)了它們?cè)赗2R涂布配置中成功應(yīng)用的潛力。雖然使用PEDOT (html SOLAR3)的設(shè)備的功率轉(zhuǎn)換效率略高于P3HT，但是P3HT在毒性較小的溶劑(鄰二甲苯)中的溶解度較大，使其成為R2R涂布系統(tǒng)的更有利選擇。
圖6a, b顯示了未封裝器件ISOS D3 dark(65°C, 85%RH)和ISOS D1 dark(25°C, 70%RH)的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果，為PEDOT和P3HT碳層在增強(qiáng)穩(wěn)定性方面的作用提供了有用的見(jiàn)解。
當(dāng)在D3條件下(65°C和85% RH)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，與使用P3HT的設(shè)備相比，含有PEDOT的設(shè)備具有較好的穩(wěn)定性。250分鐘后，PEDOT保留了初始功率轉(zhuǎn)換效率的70%，而P3HT保留了60%。與傳統(tǒng)的螺旋/金電極器件相比，PEDOT/碳電極器件和P3HT/碳電極器件都具有較好的濕度和溫度穩(wěn)定性。D1穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果表明，用P3HT涂層的器件表現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在90天后保持其初始功率轉(zhuǎn)換效率的85%以上。使用PEDOT的設(shè)備也表現(xiàn)出相當(dāng)大的穩(wěn)定性，保持其初始功率轉(zhuǎn)換效率的75%以上。這種高穩(wěn)定性歸因于PEDOT、P3HT和碳的固有疏水性，形成了一種屏障，有效地阻止水分滲入鈣鈦礦層，從而使其具有高降解。
SnO2/MAPI/P3HT/ Carbon和SnO2/MAPI/PEDOT/Carbon的截面圖(圖6c, d)顯示，這兩種空穴傳輸材料都與鈣鈦礦層和碳層建立了良好的接觸界面。橫截面圖像還顯示了每層的厚度。平均厚度測(cè)量值如下:SnO2為41±7 nm, MAPI為460±31 nm, P3HT為138±33 nm, PEDOT為136±44 nm。
卷對(duì)卷狹縫涂布設(shè)備
根據(jù)使用P3HT/碳電極和PEDOT/碳電極在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模器件獲得的結(jié)果，利用R2R狹縫涂布方式制造器件。
如前所述，P3HT溶液在o-二甲苯(作為一種非鹵化低毒溶劑)中，室溫下保存約1小時(shí)后傾向于形成凝膠狀相，當(dāng)采用旋轉(zhuǎn)鍍膜方法時(shí)，便可以不予考慮，但使用狹縫涂布又會(huì)存在表面不均勻的問(wèn)題。溶液在通過(guò)狹縫頭之前傾向于在注射器管內(nèi)聚集，導(dǎo)致表面上存在聚集顆粒的不均勻?qū)?，圖7a顯示了P3HT溶液(20 mg ml−1，自旋包覆優(yōu)化濃度)在管壁內(nèi)聚集顆粒的照片。
為了解決這一問(wèn)題，在鄰二甲苯中加入較低濃度（從20 mg ml - 1降至1 mg ml – 1）的P3HT進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖7b比較了鄰二甲苯和氯苯中不同濃度(20、15、10、5和1 mg ml−1)的P3HT溶液的耐久性。觀察在室溫下保存24小時(shí)的小瓶的照片，發(fā)現(xiàn)在鄰二甲苯中的P3HT濃度低于10 mg ml−1時(shí)沒(méi)有凝膠化的跡象。圖7c進(jìn)一步支持了P3HT在濃度低于10 mg ml−1的o -二甲苯中溶解時(shí)不會(huì)沿著管壁聚集的觀點(diǎn)。圖7d顯示了不同濃度P3HT的自旋涂布器件的結(jié)果，通過(guò)將濃度從20 mg ml - 1降低到1 mg ml – 1，由于其較低的厚度使功率轉(zhuǎn)換效率略有下降。
在o-二甲苯中5和1 mg m-1的P3HT溶液都可以很好地使用狹縫涂布方法在R2R設(shè)備中進(jìn)行涂布。為了評(píng)估使用R2R涂布方式生產(chǎn)的帶有PEDOT和P3HT空穴傳輸材料的器件的性能，將基材手工切割成更小的片段，尺寸與我們的旋涂生產(chǎn)的器件相似。然后隨機(jī)選擇樣本，使用常規(guī)方法進(jìn)行測(cè)量。從圖7e的J-V曲線來(lái)看，使用PEDOT的R2R涂布的鈣鈦礦器件的功率轉(zhuǎn)換效率最高，為10.6%。另一方面，使用P3HT的器件的功率轉(zhuǎn)換效率略低，為9.8%?？梢钥闯鯬EDOT和P3HT的效率非常接近，這使得兩種材料都可以作為R2R涂布生產(chǎn)高轉(zhuǎn)換效率鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的空穴傳輸層。雖然我們的設(shè)備與PEDOT和P3HT表現(xiàn)出相同的光伏性能，但選擇P3HT更有利，因?yàn)樗哂懈玫臐穸确€(wěn)定性和在毒性較小的溶劑中較大的溶解度。此外，除了在P3HT溶液中使用低毒溶劑o-二甲苯外，還在平面N-I-P堆疊中所有的其他層也采用了綠色或低毒溶劑：SnO2的DI水，在鈣鈦礦涂層中使用乙腈替代高毒性DMF/DMSO，在碳墨水中替代2-甲基甲醚，使R2R生產(chǎn)出的器件成為低毒性的PSCs。
該研究旨在選擇合適的空穴傳輸材料用于R2R涂布生產(chǎn)碳電極鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，對(duì)于確定其光伏性能和穩(wěn)定性具有重要意義。對(duì)四種常用的空穴傳輸材料Spiro-MeOTAD、PTAA、PEDOT和P3HT進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明，不同材料的選擇對(duì)采用碳電極的PSCs的性能有顯著影響。我們將研究范圍從剛性ITO玻璃基板擴(kuò)展到電阻率為~50 Ω sq−1的PET ITO柔性基板的全R2R涂布生產(chǎn)中，采用PEDOT的R2R器件的PCE為10.6%，而使用P3HT的器件的PCE為9.8%。此外，在不同條件下(D1和D3)進(jìn)行的穩(wěn)定性測(cè)試表明，含有碳電極和這兩種HTL材料的未封裝PSCs具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性，結(jié)合P3HT和PEDOT的未封裝器件在90天后的PCE分別為85%和75%，當(dāng)使用P3HT時(shí)給轉(zhuǎn)換效率提供了更好的穩(wěn)定性。雖然PEDOT和P3HT在全R2R生產(chǎn)的PSCs中都與2-甲基苯醚溶劑兼容，但選擇P3HT比PEDOT更有利，因?yàn)樗哂懈叩臐穸确€(wěn)定性，可以使用毒性更小的溶劑，成本更低。我們的研究結(jié)果為在大面積R2R狹縫涂布生產(chǎn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能提供了有價(jià)值的見(jiàn)解。這一研究進(jìn)展有望實(shí)現(xiàn)PSCs的經(jīng)濟(jì)高效和高通量制造，使其適用于建筑一體化光伏等新興應(yīng)用。
文章來(lái)源：《Selecting non-halogenated low-toxic hole transporting materials for Roll-to-Roll perovskite solar cells using carbon electrodes》
DOI: 10.1038/s43246-024-00516-1
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