華中科技大學Adv. Energy Mater.:低溫溶液製備CuCrO2空穴傳輸層用於高效穩定的鈣鈦礦太陽電池

2021-01-14 清新電源

【 成果簡介 】

有機–無機鈣鈦礦太陽電池的效率已經超過22%。然而，環境和光照條件下的穩定性問題直接阻礙了鈣鈦礦太陽電池的發展。因此，從根本上提高鈣鈦礦太陽電池的穩定性是該研究領域面臨的一個艱巨的挑戰。儘管最近在鈣鈦礦太陽電池的環境穩定性方面取得了重大進展，但是實驗室規模的鈣鈦礦太陽電池仍然存在在陽輻射下的光不穩定性問題。因此，提高鈣鈦礦太陽電池在紫外光照射下的穩定性是目前該領域急需解決的。解決這個問題的一個有前途的策略是將光致發光材料和鈣鈦礦太陽電池相結合，從而減少太陽光譜中紫外線的比例。對於反式的p-i-n鈣鈦礦太陽電池，由於缺少理想的p型半導體材料，通過紫外光阻斷層提高電池的光穩定性仍然是一個懸而未決的問題。

近日，美國華盛頓大學的Alex K.‐Y. Jen、香港科技大學的楊世和教授和華中科技大學的陳煒教授（共同通訊作者）在Adv. Energy Mater.上發表最新研究成果「Low-Temperature Solution-Processed CuCrO2 Hole-Transporting Layer for Efficient and Photostable Perovskite Solar Cells」。在該文中，由於CuCrO2具有合適的電子結構和電荷轉移性質，研究者用液基製備的CuCrO2代替目前研究廣泛的NiOx空穴傳輸層。相應的鈣鈦礦太陽電池的功率轉化效率從17.1%提高到19.0%。更重要的是，優化的鈣鈦礦太陽電池與參比器件相比具有更好的光穩定性。結果表明：液基製備的CuCrO2晶體具有廣泛的應用前景。

【 圖文解讀 】

如圖1a所示，CuCrO2具有銅鐵礦的ABO2一般結構。CuCrO2的帶隙能是2.9 eV，可以對紫外光區域有吸收。用CuCrO2作為空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽電池的結構和相應的各組分的能級示意圖分別如圖1b和c所示。

圖1 CuCrO2晶體結構及器件結構和能級圖

（a）‍CuCrO2‍晶體結構示意圖

（b）太陽電池的器件結構

（c）器件相對於真空能級的能帶示意圖

用X射線衍射（XRD）表徵了CuCrO2的晶體結構。如圖2a所示，所有的衍射峰可以索引到六方相CuCrO2晶體結構（No. 00-039-0247）。沒有發現明顯的雜質相，說明製備了純相的CuCrO2晶體。為了研究製備的納米晶的形貌，研究者對材料進行了TEM，HRTEM和SAED表徵。圖2b表明：大多數的CuCrO2納米晶具有片狀結構。圖2c為納米晶的晶粒尺寸的統計數據，其中可以清楚地看到晶體尺寸在6nm到16nm的範圍內，平均值為10nm。HRTEM和SAED表明：眾多的CuCrO2納米晶具有未定義形狀的邊界，這說明樣品多晶的本質。因此，得到的片狀CuCrO2納米晶體具有小的平均粒徑、低溫液相製備和多晶的性質，這對於發展低廉而高效的鈣鈦礦太陽電池來說是十分有吸引力的。如圖2g所示，CuCrO2薄膜能夠均勻、連續、密集、覆蓋在基板上。AFM表明：CuCrO2薄膜的均方根粗糙度為5.2 nm。

圖2 結構和形態表徵

（a）CuCrO2晶體的XRD圖譜；（b）CuCrO2晶體的TEM圖；（c）CuCrO2晶體的粒子尺寸統計圖；（d）CuCrO2晶體的HRTEM圖；（e）CuCrO2晶體的HRTEM放大圖；（f）CuCrO2晶體的SAED圖譜；（g）CuCrO2薄膜的SEM圖；（h）CuCrO2薄膜的AFM圖；（i）光學透過光譜隨著CuCrO2薄膜厚度的變化。

為了驗證CuCrO2薄膜的有效性，研究人員製備了鈣鈦礦太陽電池，其結構為ITO/c- CuCrO2/MAPbI3/PCBM/BCP/Ag。為了探測在MAPbI3/CuCrO2界面處的電荷轉移動力學，研究人員進行了光致發光表徵，如圖3b所示。與NiOx基的薄膜樣品相比，CuCrO2基樣品表現出較高程度的螢光猝滅，體現了較好的空穴傳輸效率。相應的擬合的電荷載流子的壽命分別為3.33和8.98 ns，這說明CuCrO2具有優異的空穴抽取能力。如圖3d所示，最優器件的光伏性能參數為：VOC為1.07 V、Jsc 21.94 mA cm−2、FF為0.81, 總的功率轉化效率為19.0%。IPCE光譜表明：‍CuCrO2‍基的器件在在紫外光區域的光譜相應降低，但是在長波長區域的光譜響應增大。另外，CuCrO2基的器件具有較好的重複性，如圖3f所示。

圖3 器件的性能表徵

（a）鈣鈦礦膜的SEM圖；（b）鈣鈦礦膜的光致發光光譜；（c）太陽能電池的SEM截面圖；（d）太陽電池的J-V曲線圖；（e）太陽電池的IPCE圖；（f）太陽電池效率統計圖

根據此前的報導，紫外輻射能通過有機成分去除促進鈣鈦礦分解，降低了器件光穩定性。然而，如圖4a所示，與NiOx相比，CuCrO2可以吸收更多的紫外光，者說明CuCrO2可以通過吸收紫外光從而降低鈣鈦礦層的降解。為驗證這一假設，研究者進行了在 太陽光照下的體老化實驗，用於評估反式鈣鈦礦太陽電池在太陽光譜輻照度下的穩定性。實驗裝置如圖4b所示。器件光伏參數隨時間的變化如圖4c-f所示。從圖中，我們可以看出：在整個陳化過程種，除了Jsc之外，其它光伏參數的數值變化不大。Jsc的降低是由於鈣鈦礦的分解導致的。與NiOx相比，CuCrO2可以更好地保護器件，使器件具有更好的光穩定性。

圖4 光穩定性測試

（a）CuCrO2和NiOx薄膜的紫外-可見光譜圖

（b）光穩定性測試設備的示意圖

（c）器件的開路電位隨光照時間的變化

（d）器件的短路電流隨光照時間的變化

（e）器件的填充因子隨光照時間的變化

（f）器件的功率轉化效率隨光照時間的變化

【 小結 】

總的來說，低溫液相製備的CuCrO2可以作為一種有效的空穴傳輸層，是反式鈣鈦礦太陽電池的效率高達19%。CuCrO2空穴傳輸層可以阻止紫外光誘導的鈣鈦礦光吸收層的降解，增強器件的光穩定性。研究者系統地研究了潛在的機理。這項工作強調了開發新型多功能的空穴傳輸材料用於製備高效、光穩定的鈣鈦礦太陽電池。

【 文獻連結 】

Low-Temperature Solution-Processed CuCrO2 Hole-Transporting Layer for Efficient and Photostable Perovskite Solar Cells （2018，DOI: 10.1002/aenm.201702762）

供稿丨深圳市清新電源研究院

部門丨媒體信息中心科技情報部

撰稿人丨雲捲雲舒

主編丨張哲旭

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