浙江大学Adv. Energy Mater: 高性能膜厚不敏感钙钛矿电池—实现高效率与厚膜的兼容

编辑部实习生 6年前 (2018-07-05) 7574浏览

【引言】

有机-无机杂化钙钛矿由于其优异的光电特性，成本低廉，制备工艺简单，能带连续可调等一系列优势，受到了研究者的广泛关注。尤其在太阳能电池领域，有机—无机杂化钙钛矿电池的光电转换效率已经达到22.7%，与商业化的晶硅太阳能电池相当。提高钙钛矿活性层薄膜的厚度，并减小活性层厚度变化对器件性能的影响，是今后杂化钙钛矿太阳电池工业化的迫切需求。然而，随着钙钛矿薄膜厚度的增加，其形貌控制愈加困难，进而影响到载流子扩散与电荷的有效提取，并导致严重的非辐射复合与能量损失，因此在膜厚不敏感的高性能钙钛矿电池的制备方面一直未有突破性的进展。尽管采用引入添加剂、溶剂工程、界面工程、热旋涂等方法可以改善钙钛矿薄膜形貌，钙钛矿层超过600nm厚度的高效率太阳能电池已有相关报道，然而当膜厚接近1000nm时，如何避免膜厚增加而导致的光电转化效率的下降，仍然是一个挑战。

【成果简介】

近日，浙江大学陈红征教授、李昌治研究员和吴刚副教授（共同通讯作者），博士生陈杰焕（第一作者）等人采用70℃热旋涂工艺制备超过700nm厚的钙钛矿薄膜，组装结构为ITO/NiOx/MAPbI3/PCBM/BCP/Ag的电池效率达到19.54%，为当前已知以金属氧化物作空穴传输层的钙钛矿电池的最高效率，器件稳定性也得到明显改善。此外，当钙钛矿层厚度由700nm增加至1150nm时，仍能保持19%的效率，进一步增加至1600nm，电池效率超过17%，为当前已报道的最厚钙钛矿膜层太阳能电池。相关成果以题为“High-Performance Thickness Insensitive Perovskite Solar Cells with Enhanced Moisture Stability”发表在Adv. Energy Mater.上。

【图文导读】

图一 钙钛矿电池器件结构及性能曲线

(a) 钙钛矿电池器件结构；
(b) 钙钛矿电池的能级示意图；
(c) (d) 钙钛矿电池的J-V性能曲线，EQE光谱（1.2M前驱体溶液，不同旋涂温度制备的钙钛矿薄膜）。

图二 钙钛矿薄膜表征

(a) (b) 不同旋涂温度（25℃、70℃）制备的钙钛矿薄膜截面SEM；
(c) 钙钛矿薄膜XRD；
(d) 钙钛矿薄膜吸收和PL光谱。

图三 钙钛矿电池的载流子动力学研究

(a) 暗态下钙钛矿电池的J-V特征曲线；
(b) (c) 不同光强下测试得到钙钛矿电池的Jsc和Voc；
(d) ITO/NiOx/MAPbI3/PTAA/MoO3/Ag器件的J-V特征曲线，以此估计空穴迁移率和缺陷密度。

图四 不同浓度前驱体70℃热旋涂制备的钙钛矿薄膜的截面SEM

图五 不同钙钛矿层厚度的钙钛矿电池性能表征

(a) 钙钛矿电池的J-V性能曲线；
(b) 钙钛矿电池的EQE光谱；
(c) 钙钛矿电池的模拟EQE光谱；
(d) 钙钛矿电池的IQE光谱。

图六 不同钙钛矿层厚度的钙钛矿电池性能参数分布

图七 钙钛矿薄膜及电池的稳定性研究

(a) (b) 不同旋涂温度（70℃、25℃）制备钙钛矿薄膜，放置不同天数后的XRD；
(c) 钙钛矿薄膜XRD中PbI2含量随时间的变化；
(d) 钙钛矿电池的稳定性测试（电池未封装，保存在湿度50%的氮气手套箱中）。

【小结】

该研究提出了一种简单的一步热旋涂工艺制备厚钙钛矿层太阳能电池，当吸光层厚度超过1000nm时，器件效率仍能超过19%。通过光学模拟，研究人员发现厚膜中平均电子传输距离变长，而空穴到达阳极的平均距离几乎相同，由于载流子迁移率高，陷阱态少，因而热旋涂制备的钙钛矿薄膜具有很好的耐厚度。这种简单的一步旋涂工艺在生产钙钛矿电池器件方面有很大的潜力，推进了钙钛矿的产业化进程。

文献链接：High-Performance Thickness Insensitive Perovskite Solar Cells with Enhanced Moisture Stability（Adv. Energy Mater.2018,DOI:10.1002/aenm.201800438）

【团队介绍】

浙江大学陈红征教授主持的有机半导体研究团队是我国最早从事有机高分子半导体材料与光电功能器件研究与开发的课题组之一，由浙江大学前校长杨士林教授和汪茫教授于1986年创建，长期坚持活跃的创新思想和宽松的学术氛围，形成了以有机复合半导体为主要研究方向、以平面大环共轭有机高分子的设计与合成为基础、以复合技术与纳米技术相结合为手段、以先进光电功能材料的设计与制备为中心、以研究材料微纳结构-电荷转移-光电功能的关系为主题、以开发新型光电功能器件为目标的鲜明特色，研究方向涵盖有机、有机-无机杂化以及单晶复合光电功能材料。先后主持国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重大项目课题/重点/重大（重点）国际合作/优青、973项目课题和863重点项目等国家和省部级项目30多项；在Adv. Mater., Chem. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater. 等本领域著名学术刊物发表SCI收录论文300多篇，SCI论文他引超过8000多次。

【团队优质文献推荐】

1.Zhisheng Yang, Ligong Yang*, Gang Wu, Mang Wang, Hongzheng Chen*, A Heterojunction Based on Well-ordered Organic-Inorganic Hybrid Perovskite and Its Photovoltaic Performance, ACTA CHIMICA SINICA, 69(6), 627-632 (2011)
2.Xinqian Zhang, Gang Wu*, Weifei Fu, Minchao Qin, Weitao Yang, Jielin Yan, Zhongqiang Zhang, Xinhui Lu, Hongzheng Chen*, Orientation Regulation of Phenylethylammonium Cation Based 2D Perovskite Solar Cell with Efficiency Higher Than 11%, Advanced Energy Materials, 2018, 1702498.
3.Jielin Yan, Weifei Fu, Xinqian Zhang, Jiehuan Chen, Weitao Yang, Weiming Qiu, Gang Wu*, Feng Liu*, Paul Heremans, Hongzheng Chen*, Highly oriented two-dimensional formamidinium lead iodide perovskites with a small bandgap of 1.51 eV, MATERIALS CHEMISTRY FRONTIERS, 2018, 2, 121.
4.Xinqian Zhang, Gang Wu*, Shida Yang, Weifei Fu, Zhongqiang Zhang, Chen, Chen, Wenqing Liu, Jielin Yan, Weitao Yang, Hongzheng Chen*, Vertically Oriented 2D Layered Perovskite Solar Cells with Enhanced Efficiency and Good Stability, SMALL, 2017, 1700611.
5.Huanle Chen, Weifei Fu, Chuyi Huang, Zhongqiang Zhang, Shuixing Li, Feizhi Ding, Minmin Shi, Chang-Zhi Li,* Alex K.-Y. Jen* and Hongzheng Chen*, Molecular Engineered Hole-Extraction Materials to Enable Dopant-Free, Efficient p-i-n Perovskite Solar Cells, Adv. Energy Mater. 2017, 1700012
6.Lijian Zuo , Zhuowei Gu , Tao Ye , Weifei Fu , Gang Wu , Hanying Li ,* and Hongzheng Chen*, Enhanced Photovoltaic Performance of CH3NH3PbI3 Perovskite Solar Cells through Interfacial Engineering Using Self-Assembling Monolayer, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 2674-2679.

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