【研究成果】以無參雜劑PPr聚合物作為錫基鈣鈦礦太陽能電池電洞傳輸層,提供高效穩定的設計模型

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  何郁庭 (科學推展中心特約編輯)


圖1. 研究將一系列具PPr官能基之高分子,以兩步法製程應用於錫基鈣鈦礦太陽能電池製作。與其他聚合物相比:(a) PPr-SBT-14的功率轉換效率可達7.6%,(c) 該元件在沒有封裝的條件下可以儲存超過6,000小時,PCE幾乎維持在100%的比例。

鈣鈦礦是近年來新興的有機金屬鹵化物材料,由於其特殊的光電特性,在太陽能儲存、光感測器、發光二極體、雷射等領域都有廣泛的應用。錫基鈣鈦礦太陽能電池(TPSCs, tin perovskite solar cells)已成為近年來太陽能電池的其中一項研究重點。今(2023)年,國立陽明交通大學應用化學系暨分子科學研究所刁維光特聘教授和國立中央大學陳銘洲教授團隊在《Advanced Materials》上發表一項研究,將一系列具吡咯並吡咯(PPr, pyrrolopyrole)官能基之高分子電洞傳輸材料(HTMs, hole-transporting materials)應用於無鉛鈣鈦礦太陽能電池,使其在沒有封裝的條件下,展現該元件的高功效轉換效率及高長期穩定性。

設計一個適合TPSCs的理想HTMs,需具有適合的HOMO/LUMO能階、高電荷遷移率與電導率、優異的溶液加工性(solution processability)、弱寄生吸收性(parasitic absorption)、高穩定性,以及低成本等特性。由於高親水性的PEDOT:PSS電洞傳輸材料用於反式結構的TPSCs中,容易因吸收水分使其變得不穩定,所以研究團隊嘗試探索與合成出一組具有較高疏水性的高分子聚合物,以取代PEDOT:PSS。

研究將一系列具PPr官能基之高分子,以兩步法製程應用於錫基鈣鈦礦太陽能電池製作。研究合成出硫代烷基化/烷基化聯噻吩(SBT/BT)與PPr官能基結合的新型聚合物,並分別從PPr-SBT-14、PPr-SBT-6和PPr-BT-14聚合物的合成方式、熱學/光學/電化學特性、密度泛函理論計算、形態和結晶度特性、光伏屬性與特徵來探討其特性。

與其他聚合物相比,PPr-SBT-14中較長的硫代十四烷基鏈限制了分子旋轉,並強烈影響分子構象、溶解度和薄膜潤濕性。PPr-SBT-14的功率轉換效率(PCE, power conversion efficiency)可達7.6%,且在沒有封裝的條件下,該元件可以儲存超過6,000小時,並幾乎維持PCE在100%的比例,這項成果是在其他研究成果中從沒有被報告過的。除此之外,PPr-SBT-14的器件在50%相對濕度的空氣,光照射5小時的環境下,最大功率點(MPP, maximum power point)亦能保持穩定。

刁教授領導的研究團隊長期致力於無鉛鈣鈦礦太陽能電池的相關研究,此研究成果展現了新型無摻雜劑聚合物HTM製作高效錫基鈣鈦礦太陽能電池的潛力,也是世界上第一個non-PEDOT:PSS製備錫鈣鈦礦太陽能電池達到破紀錄的長效穩定性,並為未來高效穩定的 TPSC 設計提供模型。

 


參考文獻

[1] Kuan, C. H., Balasaravanan, R., Hsu, S. M., Ni, J. S., Tsai, Y. T., Zhang, Z. X., … & Diau, E. W. G. (2023). Dopant‐Free Pyrrolopyrrole‐based (PPr) Polymeric Hole‐Transporting Materials for Efficient Tin‐based Perovskite Solar Cells with Stability over 6000 h. Advanced Materials, 2300681.

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