反式钙钛矿太阳能电池由于其可低温加工、低成本和易于制备等优势，引起了学术界和工业界的广泛关注。目前，反式钙钛矿太阳能电池的光电转化效率已超过24%，非常接近晶硅电池的光电转化效率，显示了其作为新一代光伏技术的巨大潜力。尽管如此，稳定性一直是阻碍钙钛矿太阳能电池产业化的一个重要因素，钙钛矿太阳能的稳定性不仅取决于钙钛矿的吸光层，还取决于电荷传输材料。电荷传输层分为空穴传输层和电子传输层，聚三苯胺（PTAA）和富勒烯分别是常用的空穴传输层和电子传输层材料。PTAA由于其共价高分子骨架和与钙钛矿吸光层的化学惰性，已被多次证明是一种稳定的空穴传输材料。C60和[6，6]-苯基-C61-丁酸异甲酯（PCBM）是常用的富勒烯电子传输材料。C60具备优异的电子迁移率，但其在大多数溶剂中溶解性差，不能采用溶液法加工，只能采用热蒸镀的方式制备，不适用于工业上大面积制备。富勒烯的衍生物PCBM可以溶解于甲苯和氯苯之中，常用来替代不溶的C60。然而PCBM在光热条件下趋于聚集和扩散，这会显著降低PCBM的电荷传输能力，从而影响反式钙钛矿太阳能电池的稳定性。基于此，开发出具有优异电子传输性能和良好稳定性的电子传输层材料对提高反式钙钛矿太阳能电池稳定性至关重要。
图1. PFBS-C12的合成路线。
近期，南京大学陈尚尚课题组针对该问题，借鉴PTAA的结构特点，开发了一种新型的电子传输材料—聚富勒烯（PFBS-C12），合成路线见图1。该材料是通过原子转移自由基聚合反应将带有烷基侧链的苯小分子与C60单体进行聚合得到，反应条件温和，产率可观，易于提纯，成本较低，该聚富勒烯材料具有很好的溶解度，并且表现出与PCBM接近的光吸收、能级和电子传输能力。
图2. PCBM和PFBS-C12的光电性质表征。
陈尚尚课题组采用室温刮涂法制备了反式钙钛矿太阳能器件，通过器件测试发现，以PFBS-C12作为电子传输层材料的器件可以实现23.2%的高效率以及良好的器件重复性。在稳定性测试中，基于PFBS-C12的钙钛矿太阳能电池置于模拟太阳光下连续照射1300 小时以上，仍能保持初始效率的96%，而以PCBM作为电子传输层材料的器件在相同测试条件下，器件效率衰减了66%，显示了PFBS-C12电子传输层材料优异的稳定性。除了制备小面积的太阳能电池（8 mm2）以外，陈尚尚课题组还进一步利用室温刮涂法制作了大面积钙钛矿光伏组件，基于PFBS-C12电子传输层的钙钛矿光伏组件（53.6 cm2）实现了接近19%的光电转化效率，是目前基于溶液法制备电子传输层的钙钛矿光伏组件最高效率之一。
图3. 基于PCBM和PFBS-C12电子传输层的钙钛矿太阳能电池性能表征。
这项工作为设计电子传输材料提供了一种新的策略，并阐明了电子传输层在钙钛矿太阳能器件的稳定性中所发挥的重要作用，该工作丰富了钙钛矿太阳能电池电子传输层的材料体系，将吸引更多关于开发高性能电荷传输材料的研究。
图4. 基于PFBS-C12电子传输层的钙钛矿太阳能组件表征。
该成果近期在线发表于Angewandte Chemie International Edition (DOI: 10.1002/anie.202210610）期刊上，南京大学化学化工学院是该论文的第一单位，第一作者是南京大学-香港科技大学博士交流生殷俊力和2021级硕士生史晓雨，南京大学陈尚尚和香港科技大学颜河老师是该论文的通讯作者，该论文得到了中央高校基本科研业务费和高性能高分子材料与技术教育部重点实验室的基金支持。此外，该材料的合成和应用已经申请发明专利，已有相关公司在进行产业化放大，若干头部钙钛矿光伏企业也在试用该材料。如有合作意向，还望联系陈老师（schen@nju.edu.cn）。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202210610
来源：南大高分子
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