光电导型电荷传输材料构筑高性能倒置钙钛矿太阳能电池
倒置钙钛矿太阳能电池具有优越的运行寿命、与柔性聚合物衬底更兼容的器件结构等优势，但其效率通常低于传统的正置器件。正置和倒置钙钛矿太阳能电池之间最明显的差距在于它们不同的电荷传输层，这导致了在钙钛矿与传输层的界面以及传输层内部电荷传输和复合的不同，从而导致了各自不同的开路电压和填充因子。在倒置器件中，p型有机聚合物和小分子是典型的空穴传输材料，而n型C60或PCBM则是应用最广泛的电子传输材料。用化学方法来调节能级和电荷迁移率需要付出巨大的努力以合成新的半导体，且有机半导体传输层通常具有很强的厚度依赖性。C60或PCBM纳米颗粒容易迁移成大团聚体，从而导致分布不均匀，降低了器件的效率和稳定性，亟需开发新一代电荷传输材料。
本研究采用p型共轭聚合物和n型PCBM分别制备p型本体异质结(p-BHJ, PCBM掺杂PTAA)和n型本体异质结（n-BHJ，PBDTTT-C-T掺杂PCBM）电荷转移复合物作为空穴和电子传输层。DFT模拟p型和n型半导体之间的相互作用，结果表明在PTAA:PCBM和PCBM:PBDTTT-C-T复合物中，HOMO和LUMO电子分别在共轭聚合物和PCBM中离域，促进电荷转移复合物和本体异质结的形成。
图1. n-BHJ和p-BHJ传输材料的化学结构、能级排布和DFT模拟示意图。
（来源：Adv. Funct. Mater）
KPFM实验证明，p型和n型有机半导体之间的光致电荷转移导致了传输材料费米能级的偏移。相关电荷传输能力的表征证明光致电荷转移过程提供了额外的光电导率和电荷迁移率，这也进一步地增强了电荷传输和准费米能级分裂，从而提高了器件的填充因子和开路电压，p-BHJ和n-BHJ 电荷传输材料的协同作用将器件效率从18.3%提高到22.6%。 
图2. 电荷传输材料和空穴传输材料的表面电势和电荷传输能力的变化。
（来源：Adv. Funct. Mater）
图3. 性能最好的器件的J-V曲线和器件性能的统计分布。
（来源：Adv. Funct. Mater）
为了充分展示这些传输材料的优势，作者进行了光电导电荷传输层的掺杂浓度和厚度的依赖性测试。结果表明在溶液中通过大幅度改变PTAA:PCBM的比例从10:1到1:3， PCBM:PBDTTT-C-T的比例从100:3到100:15之间时，均可以实现器件性能的增强，表明这种掺杂方法具有弱浓度依赖性。同时作者也证明，器件性能对这种新型传输材料的厚度依赖性可以忽略不计，同时具有更好的运行稳定性和热稳定性。 
图4. 器件对光电导型电荷传输材料的掺杂比例和厚度依赖性及器件稳定性测试。（来源：Adv. Funct. Mater）
最后作者还制备了由PBDBT-2F、P3HT或PVK掺杂PCBM形成的n型体异质结传输材料(简称n-BHJ’)，以探索形成高效BHJ型光电导材料的一般规律，发现器件效率的增量与BHJ复合物的形成能成正比，表明电荷转移过程决定了掺杂效应。更负的形成能有利于BHJ中的电荷转移过程，从而增强掺杂效应，提高器件效率。 
图5. 其它本体异质结电荷传输材料中电荷转移复合物的DFT模拟。
（来源：Adv. Funct. Mater）
作者通过电荷转移型光电导传输材料的制备，开发了新一代电荷传输材料，获得了高效、稳定，对掺杂比和薄膜厚度具有弱依赖性的倒置钙钛矿太阳能电池。DFT模拟表明电荷转移复合物的生成能可以作为光电导型电荷传输材料的设计依据。本文第一作者是王卉博士研究生，通讯作者是刘丹副教授，通讯单位是武汉理工大学。 
