近日，《先進功能材料》(Advanced?Functional Materials)以“Organic?N-type Molecule: Managing the Electronic States of?Bulk Perovskite?for High-Performance Photovoltaics”為題，在線報道了蘇州大學李耀文教授通過有機n型摻雜劑調(diào)控鈣鈦礦活性層電子態(tài)，在制備高效穩(wěn)定的p-i-n鈣鈦礦太陽能電池方面取得的重要研究進展。(Adv.?Funct. Mater.,?DOI:?10.1002/adfm.202001788)
近年來，平面p-i-n鈣鈦礦太陽能電池因其簡單的器件結(jié)構(gòu)、可溶液加工、低溫制備等優(yōu)點引起了科研工作者的廣泛關(guān)注，并獲得了飛速發(fā)展。然而，在p型半導體（空穴傳輸層）上生長出的更偏p型鈣鈦礦薄膜，通常存在大量的缺電子缺陷，因此易產(chǎn)生嚴重的非輻射復合，并且限制電子抽提界面處的抽提效率，致使其器件效率普遍低于n-i-p鈣鈦礦太陽能電池。基于此，蘇州大學李耀文教授等人合成了兩種n型有機分子（DMBI-2-Th和DMBI-2-Th-I）用作鈣鈦礦活性層的摻雜劑。通過實驗和理論計算證明了n型有機分子可通過氫轉(zhuǎn)移而形成具有較高單電子占軌道（SOMO）的自由基。因此，SOMO軌道上的電子很容易受熱激活轉(zhuǎn)移到鈣鈦礦（MAPbI3）導帶中，從而實現(xiàn)n型摻雜，調(diào)節(jié)鈣鈦礦本體電子態(tài)。
同時，通過碘離子的引入，摻雜劑DMBI-2-Th-I具有更強的摻雜能力，可以進一步提高對鈣鈦礦的n型摻雜程度。通過這一策略，不僅有效提高了鈣鈦礦整體的電子態(tài)濃度，降低了鈣鈦礦薄膜中電子陷阱密度，同時還改善了界面處電子的抽提能力。
最終，DMBI-2-Th-I摻雜的鈣鈦太陽能電池的非輻射復合得到顯著抑制，光伏性能得到了明顯地提升。不僅如此，器件在高濕度條件下的穩(wěn)定性也得到顯著改善。該工作首次報道了有機n型摻雜劑調(diào)控鈣鈦礦本體電子態(tài)的方法，為促進鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展開辟了新途徑。
作者利用DMBI衍生物具有高效的氫轉(zhuǎn)移形成有機自由基的特點，設(shè)計并合成了有機n型摻雜劑DMBI-2-Th和其離子化產(chǎn)物DMBI-2-Th-I。如圖1a-b，當把富電子的噻吩與DMBI衍生物結(jié)合時，材料形成有機自由基和實現(xiàn)n型摻雜的能力得以提高。此外，碘離子的引入有利于進一步提高材料電子云密度和SOMO能級，從而為DMBI-2-Th-I和鈣鈦礦之間的電子轉(zhuǎn)移提供更強的驅(qū)動力，實現(xiàn)對鈣鈦礦更有效的電子態(tài)調(diào)控。如圖1c-d所示，作者結(jié)合電子順磁共振波譜圖與理論計算對此進行了驗證。
從圖2中場效應(yīng)晶體管的Ids–Vg曲線、莫特-肖特基曲線以及UPS圖譜可以看出，DMBI-2-Th和DMBI-2-Th-I的摻入，使得鈣鈦礦薄膜更偏n型，其中DMBI-2-Th-I效果尤為顯著。
表1：基于不同活性層制備所樣品的熒光量子產(chǎn)率。
由表1中PLQY和圖4中的測試可以發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦體相及電子傳輸層界面處的非輻射復合在更偏n型的鈣鈦礦中得到有效抑制，界面處電子的抽提和傳輸性能得到提升。
綜上所述，該工作首次通過有機n型摻雜劑實現(xiàn)對鈣鈦礦本體電子態(tài)的調(diào)控，制備了更偏n型的鈣鈦礦活性層，從而抑制了鈣鈦礦體相及界面處的非輻射復合，同時提高了電子在界面處的抽提效率、改善了鈣鈦礦晶體質(zhì)量、平衡了載流子傳輸，最終實現(xiàn)了器件性能和穩(wěn)定性的全面提升。
該工作通訊作者為蘇州大學李永舫院士團隊的李耀文教授，第一作者是蘇州大學博士研究生陳海陽。該研究成果得到了國家優(yōu)秀青年科學基金（51922074），重點國際（地區(qū)）合作研究項目（5181001093）、國家自然科學基金面上項目（51673138）等項目的資助和支持。
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