香港大学AFM综述：溶液处理的金属氧化物纳米晶作为有机和钙钛矿太阳能电池的载体传输层

【前言】

随着全球能源需求和全球环境问题的增加，迫切需要探索高效、可再生能源。太阳能是最有希望的候选能源之一，具有清洁、可再生、丰富和可持续的特性。迄今为止，科研人员已经开发了各种光伏技术来获取太阳能和高效发电。其中，溶液处理有机太阳能电池(OSCs)和钙钛矿太阳能电池(PVSCs)因其通过卷到卷技术放大生产的潜力而受到特别关注。由于新型给体/受体材料的发展、器件结构的创新、形貌的探索和界面工程，基于光活性聚合物和小分子的OSCs在过去几十年中取得了重大突破和快速发展。迄今为止，基于富勒烯的OSC和基于非富勒烯的OSC的功率转换效率(PCE)分别达到了11.7 %和14 %。PVSCs是太阳能电池家族中一个高效的新成员，具有宽带光吸收(可见光和近红外范围内的高消光系数)、低激子结合能(约2 MeV )以及长扩散长度和载流子寿命的优势。在过去几年中，总PCE从2009年首次报道的3.8 %快速增长到创纪录的22.7 %，这使其成为下一代光伏技术的主要候选。

【成果简介】

溶液处理有机太阳能电池(OSCs)和钙钛矿太阳能电池(PVSCs)向低成本、高通量光伏技术发展迅速。载流子(电子和空穴)传输层(CTLs)在提高其效率和长期稳定性方面发挥着关键作用。溶液处理金属氧化物纳米晶体(SMONCs)作为一种有希望的CTL候选物，具有稳定的工艺条件、低成本、可调谐的光电特性和内在稳定性，为实现经济高效、高性能、大面积和机械柔性的光伏器件提供了独特的优势。近日，来自香港大学的Wallace C. H. Choy教授（通讯作者）在Advanced Functional Materials上发表综述文章，题为“Solution‐Processed Metal Oxide Nanocrystals as Carrier Transport Layers in Organic and Perovskite Solar Cells”。本文综述了近年来基于SMOMNC的OSCs和PVSCs的研究进展。本文首先讨论了SMONCs的合成方法。然后，综述了基于SMOMNC的各种CTLs，包括空穴传输层和电子传输层，其中重点是提高效率和器件稳定性。最后，为了更好地理解基于SMNC的CTLs面临的挑战和机遇，作者概述了几种策略和观点。

【图文导读】

图1. 多层器件结构

a) OSCs，b) PVSCs.

图2. 不同类型的载流子传输层

图3.金属氧化物纳米晶的合成

共沉淀方法中的四个过程:成核、生长、聚集和Ostwald熟化。

图4. 金属氧化物纳米晶合成

图5. 水热和溶剂热法

图6. 其他合成方法

a) 微波辅助化学方法的电磁波谱图。b )声空化过程的示意图。

图7.基于金属氧化物纳米晶体的溶液处理OSCs载体传输层

OSCs中几种典型氧化物载体传输材料的能级示意图

图8. 基于金属氧化物纳米晶体的溶液处理PVSCs载体传输层

PVSCs中几种典型氧化物载体传输材料的示意性能级图

图9. NiO_x‐基PVSCs性能

a) J−V曲线。b ) NiO_x基柔性PVSC的归一化PCE与弯曲周期的关系，以及NiO_x基柔性PVSC的照片(插图)。c )分别放置不同天数的基于NiO_x的封装器件和未封装器件的PCE变化。

图10. 3D GO : NiO_x纳米复合器件

a )室温制备乙醇处理的自组装准3D GO : NiO_x纳米复合材料的示意图。b )空气暴露时间与归一化器件特性的关系。c )以GO和L-GO : NiO_x为HTL的倒置OSCs的J - V特性。

图11. 溶液处理OSCs和PVSCs的电子传输/选择性层

a ) Au NP‐TiO₂复合材料的TEM图像和横截面扫描电子显微镜(SEM)图像。b )具有TiO₂和NP‐TiO₂复合材料的倒置OSCs的J - V特性。c )等离子体激元诱导电荷注入过程示意图。d ) PBDTTT‐C‐T和PC71BM的化学结构(左)。器件结构示意图: NP器件(顶部)、光栅器件(底部)和双金属结构器件(右侧)

图12. SnO₂作为ETL，在基于PBDTT - DPP : PC60BM的倒置OSCs中实现了5 %的PCE。

a )反应机理和合成工艺的示意图。b )使用纳米SnO₂作为电子传输层的PBDTT - DPP : PCBM太阳能电池的器件结构和相应的J - V特性。

图13. NiMgLiO/MAPbI₃/PCBM/CeO_x性能

a ) CeO_xNC的TEM图像、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像和选定区域电子衍射图(插图)，以及配体交换程序示意图。b ) J - V曲线。c )未封装的器件在充满N₂的手套箱和充满空气的环境测试室中老化200小时，湿度控制在30 %左右，在室温下保持连续光照和最大功率点跟踪。d )用于改善器件稳定性的示意图。

【总结】

在这篇文章中，作者综述了溶液处理金属氧化物纳米晶体的合成方法，以及它们在OSCs和PVSCs中作为CTLs的性能。然而，科研人员需要做出更多的努力来促进它们在光伏器件中的应用。

1)制备具有良好设计的尺寸和形貌的金属氧化物纳米材料是在各种应用中的重要挑战，尤其是在光伏应用中。当材料尺寸减小到纳米级时，它们表现出独特的性能，这与它们的块体对应材料不同。这种特性使得纳米材料对独特的应用具有吸引力，同时也使其合成变得复杂。尽管各种技术已经被应用于金属氧化物纳米晶体的合成，但它仍然需要根据其应用开发新的合成方法。此外，为了控制MONCs的尺寸和形貌，需要更好地理解新合成方法的形成机理和反应条件的控制。

2)用于稳定金属氧化物纳米晶体的表面配体需要满足溶液加工性和电荷传输方面的需求。具有长烃链的配体是绝缘的，例如乙二醇，这限制了它们作为CTLs的应用。因此，科研人员已经提出了许多配体交换策略，包括与较小分子的配体交换、可热降解配体或金属硫族化合物络合物，以解决这个问题。在配体交换策略上的更多的努力有助于在CTL应用中实现氧化物纳米晶体。因此，科研人员仍然迫切需要开发有效的方法来同时改善金属氧化物纳米晶体在溶液中的加工性能和相应薄膜的电荷传输。

3)良好的CTLs需要良好的成膜性能，以确保尽可能均匀的覆盖。此外，位于活性层顶部的CTLs报道有限。因为它是与湿度和氧气接触的层，也是与活性层接触的层，所以它对化学降解的抵抗力以及保证稳定的电子界面是必要的。复合材料/复合层可以被认为是应对这一问题的有效策略，沿着这些思路的进一步研究将有助于提高效率和稳定性。

总的来说，作者认为基于氧化物的CTLs对OSCs和PVSCs都非常有利，主要是因为它们具有极高的稳定性、良好的电性能和潜在的透明性。对大量新型氧化物基CTLs的不断探索对其在新兴光电器件中的实际应用非常重要，这些新型CTLs可以保证高效率、高稳定性、低成本和大面积良好的成膜性能。

文献链接：Solution‐Processed Metal Oxide Nanocrystals as Carrier Transport Layers in Organic and Perovskite Solar Cells, (Advanced Functional Materials, 2018, DOI: 10.1002/adfm.201804660)

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