空穴传输层PEDOT:PSS掺杂DMSO对钙钛矿太阳能电池的影响

　　空穴传输层在钙钛矿太阳能电池中扮演了十分重要的角色。因为其可减少界面复合和有效地提取自由电荷. 目前，PEDOT:PSS是P-I-N结构平面异质结钙钛矿太阳能电池中最为常用的空穴传输材料. 然而，许多报道研究发现传统的PEDOT:PSS依然存在一些缺点。但是为了保留PEDOT:PSS的传统优势,北京交通大学发光的一个研究组采用了一种的简单且有效的极性溶剂掺杂的方法，来改善其空穴导电性。相关的研究成果发表在2017年2月22日的《Nanoscale》上。 

　　该研究组发现了把DMSO掺杂到空穴传输层PEDOT：PSS中改善钙钛矿太阳能电池的性能，研究表明最佳掺杂比例为体积比10vol.%，由此制备的器件的短路电流从16.62mA/cm2增加到22.76 mA/cm²，器件开路电压和填充因子基本不变，光电转换效率从12.15% 增加到16.72%。短路电流的提升主要归因于DMSO掺杂后，空穴传输层在350到550nm光谱范围的透射率增大，使得钙钛矿薄膜能吸收更多的光子。且DMSO掺杂PDEDOT:PSS后，空穴导电率明显提高，有利于钙钛矿与空穴传输层之间的电荷传输。同时在DMSO掺杂PDEDOT:PSS作为空穴传输层上制备的钙钛矿薄膜的晶粒尺寸也有所增大且具有高结晶性和更紧密的晶面排布，并且将钙钛矿薄膜的平均粗糙度降低至6.2nm。综合结果使器件短路电流增大。最后还发现存放了1162小时后，DMSO掺杂的空穴传输层显著提高了器件稳定性。 

　　为了建立DMSO掺杂PEDOT:PSS后改善的钙钛矿形貌与增加的短路电流之间的联系，利用北京同步辐射装置（BSRF）1W1A-漫散射实验站的GIWAXS技术获得在不同空穴传输层生长的钙钛矿纳米结构。在有无DMSO掺杂的空穴传输层上的钙钛矿都拥有较明显的散射环，这就表明钙钛矿薄膜主要以多晶结构为主，同时q为1和2埃^-1对应于钙钛矿的（110）和（220）晶向。然而在DMSO掺杂的空穴传输层上上生长的钙钛矿薄膜的散射环光强要大于无掺杂的空穴传输层上生长的钙钛矿薄膜的的散射环光强，这也证明了薄膜2上的钙钛矿薄膜结晶性更好。此外，在DMSO掺杂的空穴传输层上钙钛矿薄膜的（110）衍射峰所在位置qz为1.046埃^-1，与之对应的晶面距离为6.00埃，然而在无掺杂的空穴传输层上钙钛矿薄膜的（110）衍射峰所在位置qz为1.039埃^-1，与之对应的晶面距离为6.04埃。这就表明在薄膜2上的钙钛矿薄膜具备更高的结晶性和更紧密的晶面排布，从而提供了更加有效的传输通道以减少电阻和有利于电荷传输到电极上。 

　　这个研究为同时提高电池效率和稳定性提供了科学的线索和思路。在这样研究工作中，同步辐射光源帮助该研究组解开了不同空穴传输层生长的钙钛矿纳米结构的面纱。 

　　发表文章： 

　　Di Huang, TenghooiGoh, JaeminKong, YifanZheng, SulingZhao, Zheng Xu*, and André D. Taylor* Perovskite solar cells with a DMSO-treated PEDOT:PSS hole transport layer exhibit higher photovoltaic performance and enhanced durability, Nanoscale, 2017, 9, 4236-4243.