鈣鈦礦太陽能電池研究取得系列進展

2020-11-22 騰訊網

鈣鈦礦太陽電池是光伏領域近年來興起的一個重要研究方向。由於其優良的自組裝特性、有機無機雜化鈣鈦礦能夠通過簡單的低溫溼法工藝實現大面積的太陽電池組件製備、原材料的豐富低廉和器件效率的飛速發展，使得其在未來的商業化應用中呈現出巨大潛力。然而，當前主流器件結構中普遍採用TiO2等高溫製備的n型半導體材料作為電子傳輸層，這增加了器件的製造能耗和成本，並限制了柔性器件的構建。而且TiO2等金屬氧化物較強的紫外光催化性能是造成器件光照穩定性差的重要原因。因此，避免該類傳輸材料的使用或開發新型的界面修飾材料十分重要。

近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所葛子義課題組針對此問題取得了系列研究進展。

首先，基於前期研究結果(ACS Applied Material and Interfaces2016, 8, 9811-9820,Solar Energy Materials & Solar Cells2016, 157, 1038-1047)，通過引入外部摻雜劑來控制鈣鈦礦的載流子類型，由此來協同優化鈣鈦礦吸收層前後界面的能帶結構和能級對準，構建了具有高效整流特性的p-n異質結原型器件，為進一步揭示此類器件的工作原理和提升此類器件的性能提供了全新思路（圖1）。相關結果發表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201800274)上。

進一步，針對該類器件發展過程中存在的問題，研究人員做了深入全面的文獻綜述，相關結果發表於Advanced Energy Materials(2019, 1900248)。基於這些新認識，針對鈣鈦礦和透明導電玻璃前電極之間的較大的能級差和界面缺陷，研究人員創新性地將課題組前期開發的小分子界面材料MSAPBS用於透明導電玻璃（TCO）的功函數調控和器件前界面缺陷鈍化（圖2）。該界面材料的引入顯著降低了TCO的功函數和鈣鈦礦/TCO界面的電子收集勢壘，優化後的界面能帶彎曲實現了高效的電子選擇性收集；界面層分子中SO3-和NH3+的存在進一步鈍化了鈣鈦礦/TCO界面的缺陷態，保證了高效的電子收集，與此同時顯著提升了器件的短路電流密度、開路電壓、填充因子，最終實現了效率達20.6%的無金屬氧化物電子傳輸層鈣鈦礦太陽電池。由於電子收集勢壘的消除和界面缺陷的鈍化抑制了電荷積累，器件的遲滯效應得到了抑制，穩定性也顯著提升。相關研究工作投稿於Advanced Science(2019, DOI: 10.1002/advs.201902656)。

此外，通過與美國西北大學教授Tobin J. Marks和Antonio Facchetti課題組合作，將該類界面材料引入到經典平面異質結結構鈣鈦礦太陽電池中，自下而上地鈍化了器件前界面和鈣鈦礦吸收層的體相缺陷態，抑制了器件的遲滯效應，顯著提升了器件的光電轉換效率（21.18%）、環境溼熱穩定性和光照穩定性（圖3）。相關研究工作發表於Advanced Materials(2019, 1903239)。

圖1 (a, b)摻雜前後鈣鈦礦薄膜的UPS譜，器件各功能層的能級對準變化(c)，摻雜前(d)和摻雜後(e)器件能帶結構的變化

圖2 (a)器件斷面SEM照片, (b)器件能帶結構, 參照組和優化組器件性能參數對比：J-V曲線(c), EQE曲線(d), 穩態輸出曲線(e)和性能參數統計分布(f)

圖3 (a)採用不同電子傳輸層的最優器件的J-V曲線, 器件性能參數統計分布(b), 器件的遲滯特性(c), 器件的穩態輸出(d), 器件的溼熱穩定性測試(e,f)和光照穩定性測試(g)

來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所

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