中科院半导体所Energ. Environ. Sci.：有效的电荷提取技术提升钙钛矿太阳能电池的效率

【引言】

钙钛矿材料具有带隙可调、吸收系数高、载流子寿命长和载流子迁移率高等优点，因此近些年钙钛矿太阳能电池的研究非常火热，其效率已经突破了20%。钙钛矿薄膜的质量是电池性能的主要决定因素。然而，如今钙钛矿薄膜质量的优化已经达到极致，因此想继续通过优化钙钛矿薄膜质量来提升钙钛矿太阳能电池的效率变得十分困难。此外，电荷传输层以及电极材料对整个电池器件的性能也起到举足轻重的作用。其中常用的空穴传输材料有：氧化镍、PTTA；电子传输材料有：氧化钛、氧化锌和PCBM，此外还可以通过增加PFN,BCP等聚合物作为缓冲层来增强电极收集电子空穴的能力。因此通过调控电荷传输层与电极材料来提升钙钛矿电池的效率是一个值得深入研究的课题。

【成果简介】

近日，中科院半导体所王智杰研究员、曲胜春研究员和德国Ilmenau工业大学雷勇（Yong Lei）教授（共同通讯作者）等人在Energ. Environ. Sci.发表了一篇名为“Efficacious engineering on charge extraction for realizing highly efficient perovskite solar cells”。在该篇文章中，研究者通过一系列有效的电荷提取策略，其中包括用乙酰丙酮锆修饰铝电极；铜掺杂氧化镍；采用高导FTO等策略。成功地将倒置甲基卤化铅钙钛矿电池的效率提升至20.5%。

【图文简介】

图1：器件结构与薄膜表征

(a). 钙钛矿太阳电池的器件结构示意图；

(b). 钙钛矿太阳电池的横截面SEM图；

(c). ITO衬底上氯掺杂钙钛矿和钙钛矿薄膜的XRD；

(d). ITO/NiOx衬底上的钙钛矿薄膜的SEM图。

图2：乙酰丙酮锆的掺杂浓度对器件的性能的影响

(a). 掺/未掺乙酰丙酮锆的ITO/钙钛矿/PC₆₁BM结构的PL谱

(b). 掺杂不同乙酰丙酮锆浓度的钙钛矿太阳能电池的J-V曲线；

(c). 掺杂不同乙酰丙酮锆浓度的钙钛矿太阳能电池的EQE曲线；

(d). 掺杂不同乙酰丙酮锆浓度的钙钛矿太阳能电池的J^1/2-V曲线；

(e). 掺杂不同乙酰丙酮锆浓度的ITO/钙钛矿/PC₆₁BM结构的J-V曲线；

(f). 掺杂不同乙酰丙酮锆浓度的钙钛矿太阳能电池的交流阻抗曲线；

图3：掺杂不同浓度Cu的氧化镍对钙钛矿太阳能电池的影响

(a). ITO/NiO_x或掺5%Cu的NiO_x/钙钛矿结构的PL谱;

(b). 掺不同浓度Cu的氧化镍薄膜的钙钛矿太阳能器件的J-V曲线；

(c). 掺不同浓度Cu的氧化镍薄膜的钙钛矿太阳能器件的EQE曲线；

(d). 仅有空穴传输层结构ITO/NiO_x/钙钛矿/Au的J^1/2-V曲线。

图4：一系列掺铜氧化镍薄膜的UPS表征

(a-c).不掺铜，掺5%铜，掺20%铜的氧化镍薄膜的UPS谱。

图5：衬底电极对器件性能的影响

(a). ITO和FTO衬底退火前退火后的方阻变化；

(b). ITO和FTO衬底钙钛矿太阳能电池的J-V曲线；

(c). ITO和FTO衬底钙钛矿太阳能电池的交流阻抗谱；

(d). 倒置钙钛矿太阳能电池的能带结构图。

【小结】

研究者通过氯掺杂钙钛矿层提升电池的开路电压，用酰丙酮锆修饰铝电极增强电子收集能力，还通过铜掺杂增强氧化镍的空穴传输能力，以及选用热稳定型好与传导率高的FTO作为衬底。这一系列优化设计成功将倒置钙钛矿太阳能电池的效率提升至20.5%。

文献链接：Efficacious engineering on charge extraction for realizing highly efficient perovskite solar cells(Energ. Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/c7ee02685d)

本文由材料人编辑部欧洲杯线上买球 学术组金也供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

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