Adv. Energy Mater.：低溫制備空穴傳輸型反向結構鈣鈦礦太陽能電池

【引言】

近年來，由于低廉的生產成本和高能量轉換效率，鈣鈦礦太陽能電池備受關注。常見的鈣鈦礦太陽能電池有兩種結構，即介孔型鈣鈦礦和具有反向平面異質結結構的鈣鈦礦。其中，介孔型鈣鈦礦太陽能電池具有高能量轉換效率（最高可達22.1%），但由于其在制備過程中需要高溫燒結（~500℃），對基底材料的選擇較為苛刻，且生產過程中能耗較大。與之相比，具有反向平面結構的鈣鈦礦電池生產過程相對容易，具有穩定性良好、滯后現象不顯著等特點。目前很多反向結構的鈣鈦礦電池由PEDOT:PSS/鈣鈦礦/PCBM異質結構成，其穩定性會受到PEDOT:PSS酸性的影響。為了避免這一影響，許多鈣鈦礦電池用Cu₂O、CuI、CuSCN、NiO_x、CuO_x等金屬化合物來替代PEDOT:PSS作為空穴傳輸層，盡管這樣能保證材料的穩定性，但電池的能量轉化效率往往有所降低。因此低溫制備出高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池成為了研究人員的當務之急。

【成果簡介】

近日來，日本國立材料科學研究所韓禮元和上海交通大學楊旭東（共同通訊作者）在Advanced Energy Materials上發表了題為“Stable Inverted Planar Perovskite Solar Cells with Low-Temperature-Processed Hole-Transport Bilayer”的文章，重點介紹了該團隊在低溫制備反向結構鈣鈦礦太陽能電池方面的最新進展。文章指出，可以通過引入穩定的rGO層和聚三芳胺層來提高鈣鈦礦薄膜的性能。該太陽能電池由基底材料/ITO/rGO/聚三芳胺/CH₃NH₃PbI₃/PCBM/浴銅靈/銀復合結構組成，在通光孔徑面積為1.02cm²的條件下，柔性和剛性基底上鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率分別為15.7%和17.2% 。此外，這種太陽能電池具有出色的光照穩定性，在100mW·cm^-2光照500小時候后，仍保持90%的能量轉換效率。

【圖文導讀】

圖一：鈣鈦礦電池的結構與表征

(a)ITO，PTAA, rGO, rGO/PTAA的透射光譜

(b)鈣鈦礦電池結構

(c)鈣鈦礦電池能級

(d)rGO,rGO,rGO/PTAA作為空穴傳輸層的J-V曲線

圖二：MAPbI₃ 膜的SEM照片

(a)ITO/rGO基底上的MAPbI₃表面SEM照片

(b)ITO/rGO/PTAA基底上的MAPbI₃表面SEM照片

(c) ITO/rGO基底上的MAPbI₃斷面SEM照片

(d) ITO/rGO/PTAA基底上的MAPbI₃斷面SEM照片

圖三：MAPbI₃的吸收光譜和PL譜圖

(a) MAPbI₃在玻璃，ITO/rGO,ITO/rGO/PTTA基底上的吸收光譜

(b) MAPbI₃在玻璃，ITO/rGO,ITO/rGO/PTTA基底上的XRD

(c) MAPbI₃在玻璃，ITO/rGO,ITO/rGO/PTTA基底上的穩態PL譜圖

(d) MAPbI₃在玻璃，ITO/rGO,ITO/rGO/PTTA基底上的TRPL譜圖

圖四：鈣鈦礦電池的性能測試

(a) 以rGO 和rGO/PTAA為基底的太陽能電池的光照穩定性

(b)柔性鈣鈦礦電池在聚乙烯萘二甲酸/ITO基底上的照片

(c)柔性鈣鈦礦電池的J-V曲線

(d)20個不同柔性鈣鈦礦電池的光能轉換效率

【小結】

本文通過向反向結構鈣鈦礦電池中引入rGO/PTAA雙層結構，提高了鈣鈦礦電池的穩定性。其中rGO層對近紫外光區有強烈吸收，而PTAA層可作為rGO的缺陷補充層。這種雙層結構會導致鈣鈦礦晶粒的增大，進而減小晶界數量，提高光捕獲率。此外不同材料的能級梯度也會有效防止空穴傳輸材料和鈣鈦礦界面處的載流子復合，促進載流子的傳輸。在通光孔徑面積為1.02cm²的條件下，柔性和剛性基底上鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率分別為15.7%和17.2%，并且光照穩定性良好。

文獻鏈接：Zhou Z, Li X, Cai M, et al. Stable Inverted Planar Perovskite Solar Cells with Low‐Temperature‐Processed Hole‐Transport Bilayer[J]. Advanced Energy Materials, 2017.

本文由材料人編輯部黃子蕓編譯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。

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