富勒烯在鈣鈦礦太陽能電池中的復興

????

富勒烯類化合物已經在有機光伏（OPV）領域被廣泛應用了20多年，隨著非富勒烯受體的開發，富勒烯材料在有機太陽能電池領域的重要性正在慢慢淡化。不過在最近幾年，富勒烯類化合物找到了新的用武之地，在鈣鈦礦太陽能電池（PSC）領域作為電子傳輸層（ETL）材料帶來了重要的性能提升，引起了科學家的廣泛關注。由於與鈣鈦礦太陽能電池的結合，富勒烯類材料呈現復興之勢。以發表論文的數量為例，可以明顯的看出這種變化趨勢（圖1）。

圖1. 從1995年到2016年有機太陽能電池（OSC）領域及鈣鈦礦電池領域發表論文情況。圖片來源：Nano Energy

過去十年間，以鈣鈦礦半導體作為活性層的第三代有機-無機雜化太陽能電池固態器件頗為引人注意。鈣鈦礦材料的發展過程經歷了從經典有機-無機雜化鉛鹵鈣鈦礦（例如MAPbI3），到有機-無機雜化混合離子鈣鈦礦（例如FAPbI3/FAPbBr3），以至於最近的全無機鈣鈦礦（CsPbI3）。因為比當前硅基太陽能電池更易生產而且光伏性能優異，世界金融論壇將鈣鈦礦電池列為了2016年的十大新技術之一。[1]義大利帕多瓦大學Francesco Lamberti和Teresa Gatti等研究者最近對鈣鈦礦太陽能電池中的富勒烯材料進行了綜述，分析了富勒烯材料在鈣鈦礦太陽能電池應用中的里程碑式成果及技術，以及所面臨的挑戰。

（一）在鈣鈦礦太陽能電池中使用富勒烯材料的工藝問題

儘管已經發現富勒烯材料可以大幅降低鈣鈦礦太陽能電池的遲滯效應（hysteresis），但在2014年底之前，富勒烯材料作為電子傳輸層與鈣鈦礦的結合問題仍未解決。在常規器件中，當鈣鈦礦層隨富勒烯材料層後旋塗上後，富勒烯會發生溶解。對於倒裝器件這也是一個關鍵的限制，儘管倒裝器件中電子傳輸層可以最後一步旋塗，但是這種結構的器件開路電壓（Voc）普遍較低。解決問題通常的思路是採用化學修飾的富勒烯化合物，使用與鈣鈦礦正交的溶劑對富勒烯進行旋塗，或者開發可交聯的富勒烯衍生物。這也被認為是鈣鈦礦電池從實驗室到工業生產的重要轉化。

圖2. 鈣鈦礦電池的兩種器件結構。圖片來源：Nano Energy

（二）讓含富勒烯電子傳輸層的鈣鈦礦電池變得穩定

開發富勒烯衍生物以提高鈣鈦礦太陽能電池的穩定性，是另一個亟待解決的問題。其中最需要關注的是紫外穩定性，不過富勒烯材料在紫外光下能否產生寡聚體或者聚合物，以及類似機制對鈣鈦礦太陽能電池是有利還是不利，都還是未知之數。

科學家發現了富勒烯與鈣鈦礦緊密接觸的重要性，如圖3所示，將0.1 wt% 富勒烯衍生物PCBM混入PbI2層，隨後轉換成鈣鈦礦層。之後發現鈣鈦礦層的電荷擴散長度有了實質性增加，這個方法可以完全消除遲滯現象，取得了82%的高填充因子（FF），光電轉換效率高達16%。

圖3. 高FF的器件製備方法及器件性能。圖片來源：Nano Energy

（三）鈣鈦礦電池中富勒烯的功能化

圖4. （a）PCBSD的結構及其熱交聯機理；（b）MPMIC60。圖片來源：Nano Energy

除了合成在有機溶劑中甚至在水中溶解性更好的富勒烯衍生物之外，引入不同的功能基團來調節界面，進行特定修飾可以帶來進一步的性質改善。例如，富勒烯衍生物PCBSD通常用在緻密TiO2層之上，在160 ℃下可以發生熱交聯，通過紅外光譜分析發現，45分鐘後其交聯度可達35%。這樣就可以足夠能夠耐受隨後溶於DMF的鈣鈦礦前體的沉積，而且電子遷移率也沒有受到不良影響。而且，這類穩定的薄膜非常適宜在上面生長大尺寸的鈣鈦礦晶粒，從而獲得高質量鈣鈦礦薄膜。

如圖5所示，作者列出了近幾年來富勒烯材料在鈣鈦礦太陽能電池中應用的各個裡程碑式的進展。通過分析如今富勒烯材料在鈣鈦礦太陽能電池中應用的問題，及前人對於解決問題做出了哪些努力，會給大家提供更多的思路，為早日實現鈣鈦礦電池的大規模應用而增添一份力量。

圖5. 富勒烯在鈣鈦礦電池中具有里程碑意義的工作。圖片來源：Nano Energy

The Renaissance of fullerenes with perovskite solar cells

Nano Energy,2017,41, 84-100, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.09.016

參考資料

1. https://www.weforum.org/agenda/2016/06/top-10-emerging-technologies-2016/

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！