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新型高效平面异质结钙钛矿太阳能电池出世

导读: 钙钛矿太阳能电池是近几年兴起的一类具有巨大应用前景的太阳能电池,它具有光电转换效率高、成本低以及制备工艺简单等突出优点。

  钙钛矿太阳能电池是近几年兴起的一类具有巨大应用前景的太阳能电池,它具有光电转换效率高、成本低以及制备工艺简单等突出优点。经过几年的快速发展,钙钛矿太阳能电池的效率已从初始的3.8%迅速提高到22.1%,已接近或超过传统高效薄膜太阳能电池(如铜铟镓硒或碲化镉等),进一步发展,可与硅及砷化镓等单晶太阳能电池媲美。

  目前高效的钙钛矿电池均采用低温致密TiO2与高温多孔TiO2相结合的介孔结构作为电子传输层,但介孔层制备温度较高、工艺过程较为复杂,不利于大规模生产。近年来,人们发现有机/无机杂化的钙钛矿材料具有几微米甚至长达上百微米载流子扩散长度,远高于传统的有机半导体几十纳米的扩散长度。鉴于钙钛矿自身优异的电荷传输能力,可完全不需要借助高温烧结TiO2介孔层来辅助电子传输,制备简单平面异质结钙钛矿太阳能电池。

  平面结构钙钛矿电池具有制备工艺简单、低温制备且与柔性器件制备工艺兼容等优势。但人们广泛研究的基于TiO2致密层的钙钛矿电池存在严重“电滞”现象,在反向测量(从开路电压扫到短路电流)条件下能获得较高效率,但正向测量(从短路电流扫到开路电压)时效率较低,使得人们不能正确评判这类电池光电转换效率。“电滞”现象一直困扰平面钙钛矿电池研究,导致该现象可能的原因包括:钙钛矿层中离子移动、钙钛矿/电子传输层TiO2界面缺陷或能级排布差异等形成的势垒,以及TiO2低的电子迁移率等阻碍了电子从钙钛矿到电子传输层的有效输运。近来,人们利用具有离子钝化作用及快速电荷转移能力的富勒烯材料改性TiO2致密层表面,增强了电子的抽取,有效减少了“电滞”现象。但富勒烯存在价格昂贵、在空气中不稳定等缺点。因此,开发一类低成本、稳定的具有强电子抽取能力的电荷传输层至关重要。

  最近,中国科学院半导体研究所材料科学重点实验室研究员游经碧与张兴旺等利用比TiO2导带能级深、迁移率高的无机稳定的金属氧化物SnO2取代传统的TiO2作为钙钛矿电池的电子传输层,降低了钙钛矿与电子传输层之间的势垒,加快电子从钙钛矿到电子传输层的转移,减少了界面电荷积累。他们研制出了基于SnO2电子传输层的平面异质结钙钛矿电池(图1a),实验证实了SnO2可显著提高电子从钙钛矿吸收层到电子传输层的转移速率(图1b),所制备的电池基本无“电滞”现象(图1c)。此外,借助钙钛矿层退火形成过程中稍过量加热生成少量PbI2钝化钙钛矿晶界的作用,减少复合过程,获得了光电转换效率高达19.9±0.6%的平面异质结钙钛矿电池,并得到了美国光伏论证机构Newport的权威认证。这些结果展示了获得高效无“电滞”平面异质结钙钛矿电池是完全可行的,为制备高效无电滞钙钛矿太阳能电池提供了新的方向和思路,有力推进了钙钛矿太阳能电池的进一步发展。相关结果发表在最近出版的《自然-能源》期刊上(Q.Jiangetal.,NatureEnergy,1,16117(2016))。

  博士生蒋琦是该文章的第一作者,游经碧与张兴旺是该论文的通讯作者。该工作得到了中组部青年千人计划、国家重点研发计划、北京市科委以及国家自然科学基金委员会的经费支持。

  图1:(a)高效平面异质结钙钛矿电池扫描电子显微镜截面图,(b)钙钛矿在不同界面上的稳态荧光谱以及(c)利用SnO2纳米颗粒作为电子传输层的钙钛矿电池在正向测量和反向测量条件下的电流-电压曲线。

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