Page 25 - 《精细化工》2022年第9期
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第 9 期 冯亚青，等: 石墨炔及其衍生物在钙钛矿太阳能电池中的应用 ·1743·
4 GD 及其衍生物在载流子传输层中的应用
除光吸收层外，高性能的载流子（电子与空穴）
传输层也是高效 PSCs 不可缺少的组成部分。但目
前常见的载流子传输层材料都存在着一定的问题，
如常见 ETL 材料 TiO 2 制备条件苛刻、SnO 2 高缺陷
率 [41-43] 以及常见 HTL 材料 2,2′,7,7′-四[N,N-二（4-
甲氧基苯基）氨基]-9,9'-螺二芴（Spiro-OMeTAD）
与聚(3-己基噻吩)(P3HT)的空穴迁移率低且价格昂
贵 [44-46] ，这都限制了高效 PSCs 的继续发展，需要
进一步修饰来提高相应的性能。
4.1 修饰电子传输层 图 7 GD 双掺杂 ETL（a）及 GD 双掺杂效应（b）示意
[47]
2015 年，KUANG 等 [18] 首次将 GD 掺杂到反式 图
Fig. 7 Schematic diagrams of GD double doped ETL (a)
结构 MAPbI 3 基 PSCs 的[6,6]-苯基-C61-丁酸异甲酯 and effect of GD dual doping (b) [47]
（PCBM）层中，制得在钙钛矿上层更好铺展且具
图 7b 提出了双重掺杂 GD 的作用机理。在原始
有更高电导率和电子迁移率，更有效电荷提取的
PCBM 和 ZnO 表面存在多种缺陷，而 GD 的双重掺
PCBM∶GD。如图 6 所示，优化后的电池 PCE 从
10.8%提升为 14.8%。2018 年，LI 等 [47] 又在 PCBM 杂能够显著钝化这些缺陷，抑制电荷复合并加快电
子传输，从而提升了 Jsc 和 FF。双掺杂后电池的 PCE
掺杂 GD 的基础上，进一步在 ZnO 薄膜中掺杂 GD
从 16.6%增至 20.0%。
制备了双掺杂的反式 PSCs，如图 7a 所示。GD 与
PCBM 或 ZnO 之间较强的 π-π 堆积有利于电子从钙 另外，在正式结构的电池中，电子传输层还会
钛矿层到 PCBM 层的快速转移，减少了层间的电子 影响钙钛矿薄膜的形貌和结晶度，降低钙钛矿的缺
堆积，使迟滞减小。 陷密度，减少非辐射复合，提升电池效率 [48-49] 。
ZHANG 等 [50] 首次将 GD 掺杂到 SnO 2 中以修饰电子
传输层。GD/SnO 2 的导带与钙钛矿能级匹配性更好，
这更有利于促进载流子分离和提高电子迁移率，进
而平衡了电子和空穴迁移率，提高了 J SC 和开路电
压（V OC ）。同时，SnO 2 薄膜疏水性的增强有利于钙
钛矿均相成核，减少了钙钛矿薄膜的晶界和缺陷，
制备得到了光电转化效率高达 21.11%的 PSCs。
但 GD 较差的溶解性限制了其进一步应用，化
学修饰为解决这个问题提供了有效方案。CHEN 等 [51]
利用 CH 3(CH 2 ) 16CH 2N 3 (十八烷基叠氮)、CH 3(CH 2) 10
注：EQE 为外量子效率。 CH 2N 3(十六烷基叠氮)、CH 3 (CH 2 ) 4 CH 2 N 3 (己基叠氮)
图 6 纯 PCBM 和 PCBM∶GD 基 PSCs 在标准模拟太阳 修饰 GD 的乙炔基制备了 GD 衍生物，提高了其在
2
光下（AM 1.5 G 100 mW/cm ）的 J-V 特性曲线 [18] 有机溶剂中的溶解性，并应用到电子传输层中提升
Fig. 6 J-V characteristic curves of pure PCBM and PCBM∶ 了电池效率。另外，GDQDs 也被掺杂到电子传输层
GD based PSCs under standard simulated solar light [38]
2 [18]
(AM 1.5G 100 mW/cm ) 用以提升 PSCs 的性能 。如 GDQDs 在 TiO 2 表面
的存在增加了钙钛矿的晶粒尺寸，从而提高了 J SC
和 FF。同时，GDQDs 对界面的修饰能够通过减少
导带偏移，钝化表面缺陷和抑制载流子复合使 PSCs
获得更高的 V OC 。
GD 及其衍生物修饰电子传输层，可以提高电子
分离、提取和传输的能力，钝化缺陷，改善薄膜质量
和电子传输机制，使 ETL 与钙钛矿层能带更加匹配，
从而显著提高 V OC。若 ETL 作为钙钛矿薄膜生长的
基底，GD 修饰还会影响钙钛矿薄膜的形貌和晶粒大
