富勒烯衍生物助力高開路電壓錫基鈣鈦礦太陽能電池|Nature...

2020-11-22 科學網
富勒烯衍生物助力高開路電壓錫基鈣鈦礦太陽能電池｜Nature Communications

論文標題：Ultra-high open-circuit voltage of tin perovskite solar cells via an electron transporting layer design

期刊：Nature Communications

作者：Xianyuan Jiang, Fei Wang et.al

發表時間：2020/03/06

數字識別碼：10.1038/s41467-020-15078-2

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近期，上海科技大學寧志軍課題組在Nature Communications上發表題為「Ultra-high open-circuit voltage of tin perovskite solar cells via an electron transporting layer design」的研究論文[2]，在錫基鈣鈦礦太陽能電池開路電壓方面取得了突破。該工作是寧志軍課題組在前期引入低維錫基鈣鈦礦結構[3]和納米梯度結構[4]製備高效器件的基礎上，在錫基鈣鈦礦太陽能電池方面的又一個重要進展（圖1）。

圖1. 錫基錫基鈣鈦礦太陽能電池效率發展圖

鉛鈣鈦礦太陽能電池目前已經取得了25.2%的認證效率，但是可溶性的重金屬鉛可能造成的管制問題和環境問題[1]，將會對鉛鈣鈦礦的商業化應用帶來了一些不確定的因素，尤其是在可穿戴器件以及室內和建築物等人口密集的場所中的應用，因此非鉛鈣鈦礦太陽能電池的開發對鈣鈦礦太陽能電池的應用具有重要意義。錫基鈣鈦礦具有和鉛基鈣鈦礦相媲美的光電特性，比如高吸光係數、高載流子遷移率、合適的光學帶隙等，是理想的環境友好型光伏材料。

近年來，錫基鈣鈦礦太陽能電池的性能取得了快速的發展，但是它們較小的開路電壓限制了器件的效率。目前文獻報導的開路電壓一般在0.6 V以下，相比於錫基鈣鈦礦1.35 eV左右的帶隙，器件的開路電壓損失在0.7 V以上。因此，雖然錫基鈣鈦礦太陽能電池的短路電流和鉛基鈣鈦礦接近，目前錫基鈣鈦礦太陽能電池的最高光電轉化效率停留在10%左右。

目前業內認為鈣鈦礦氧化和空位缺陷是錫基鈣鈦礦器件較低的開路電壓的主要原因。在這項研究中，作者提出了全新的研究思路，從器件結構的角度出發，在低維錫基鈣鈦礦結構和反式太陽能電池結構基礎上，設計利用較淺LUMO軌道能級的富勒烯衍生物ICBA作為電子傳輸層材料，取代常用的富勒烯衍射物PCBM，實現了錫鈣鈦礦和電子傳輸層之間的能級匹配。同時ICBA抑制了碘離子長程摻雜帶來的電子傳輸層載流子濃度提高，降低了界面的載流子複合。這兩個因素一起，實現了0.94 V的開路電壓（圖2），並取得了第三方實驗室認證的12.4%能量轉換效率，這是目前認證效率最高的錫基鈣鈦礦太陽能電池。

圖2：（a）錫基鈣鈦礦電池的能級結構示意圖，（b）AM1.5G光照下基於不同電子傳輸層的器件J-V曲線圖。

圖3：（a）錫鈣鈦礦與電子傳輸層之間的界面電勢SKPM掃描圖；（b）錫鈣鈦礦和電子傳輸層之間的界面非輻射複合示意圖。

該工作說明除錫鈣鈦礦活性層的缺陷之外，錫鈣鈦礦的P型摻雜特點所帶來的界面複合是影響器件開路電壓的重要因素，合理的界面設計是提高錫鈣鈦礦太陽能電池性能的重要途徑。

該論文的第一作者為上海科技大學博士生薑顯園和王飛，通訊作者為上海科技大學寧志軍教授，蘇州納米所陳立桅研究員和陳棋副研究員為共同作者。

References

1.Li J. et al. Biological impact of lead from halide perovskites reveals the risk of introducing a safe threshold, Nat. Commun.11, 310 (2020)

2.Jiang X. et al. Ultra-high open-circuit voltage of tin perovskite solar cells via an electron transporting layer design, Nat. Commun.12, 1245 (2020), DOI: 10.1038/s41467-020-15078-2

3.Liao, Y. et al. Highly oriented low-dimensional tin halide perovskites with enhanced stability and photovoltaic performance. J. Am. Chem. Soc. 139, 6693–6699 (2017).

4.Wang, F. et al. 2D-quasi-2D-3D hierarchy structure for tin perovskite solar cells with enhanced efficiency and stability. Joule 2, 2732–2743 (2018).

摘要：Tin perovskite is rising as a promising candidate to address the toxicity and theoretical efficiency limitation of lead perovskite. However, the voltage and efficiency of tin perovskite solar cells are much lower than lead counterparts. Herein, indene-C60 bisadduct with higher energy level is utilized as an electron transporting material for tin perovskite solar cells. It suppresses carrier concentration increase caused by remote doping, which significantly reduces interface carriers recombination. Moreover, indene-C60 bisadduct increases the maximum attainable photovoltage of the device. As a result, the use of indene-C60 bisadduct brings unprecedentedly high voltage of 0.94 V, which is over 50% higher than that of 0.6 V for device based on [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester. The device shows a record power conversion efficiency of 12.4% reproduced in an accredited independent photovoltaic testing lab.

（來源：科學網）

 

 

 

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