合金调控碳电极功函数改善无机钙钛矿太阳能电池的电荷提取

【引言】

近年来，基于CsPbBr3吸光层的全无机钙钛矿太阳能电池（PSC）由于其优异的化学稳定性和低成本得到了研究者的密切关注，其光电转换效率也持续走高，不断刷新纪录。研究发现，无机PSC器件的电荷提取能力对光电转换效率的提升具有关键作用。经典无机PSC器件采用CsPbBr3薄膜为吸光层，其价带能级为－5．6 eV，与碳电极的功函数－5．0 eV产生的0．6 eV的能量差致使电荷提取困难并限制光伏性能的提升。因此，如何实现高效电荷提取是全无机PSC领域的研究热点之一。

【成果简介】

近日，暨南大学新能源技术研究院唐群委教授（通讯作者）设计了一种PtNi合金调控碳背电极功函数的全无机PSC器件，利用PtNi合金掺杂比例调控背电极功函数与CsPbBr3价带能级的匹配度，有效提高了电子－空穴的分离效率，并最终获得了7．85％的光电转换效率。此外，器件在25℃的室温和80％的相对湿度下保存20余天，光伏性能仍能保持稳定。通过调控背电极功函数改善电荷提取为极大提升无机PSC的光电转换效率提供了新的思路。相关成果以“Alloy－Controlled Work Function for Enhanced Charge Extraction in All－Inorganic CsPbBr3 Perovskite Solar Cells”为标题发表在ChemSusChem杂志上。

【图文简介】

图1．全无机PSC的器件结构和PtNi合金的形貌

（a） 全无机PSC的器件结构示意图。

（b） 全无机PSC的SEM断面图。

（c） 无机CsPbBr3的晶体结构。

（d）－（e） PtNi合金的形貌。

图2． 全无机PSC器件的光伏性能及PtNi合金的功函数

（a） 不同PtNi合金修饰的全无机PSC器件的J－V曲线。

（b） 全无机PSC的IPCE图谱。

（c）－（f） PtNi合金掺杂碳电极的功函数图谱。

（g） 全无机PSC的能级结构和电荷传输示意图。

图3． 全无机PSC的电荷提取性能

（a）－（b） 全无机PSC器件的复合电流和复合电压。

（c） 电池器件的PL图谱。

（d） 电池器件的瞬态荧光光谱。

图4． 电池性能及稳定性

（a） 碳量子点界面修饰的全无机PSC的J－V曲线。

（b） 碳量子点界面修饰的全无机PSC的IPCE。

（c） 全无机PSC的20天稳定性（80％ RH， 25oC）。

【小结】

研究人员利用合金调控碳背电极的功函数改善了全无机PSC器件的电子－空穴提取过程，通过优化能级结构，获得了7．85％的光电转换效率，并探讨不同合金比例对电池性能的影响。这项工作对于进一步调高电荷提取能力提供了新思路。