山東大學Adv. Mater.：無空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的分級異質結工程改善其空穴提取和傳輸

編輯部實習生 6年前 (2017-09-10) 10301瀏覽

【引言】

有機無機混合鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）近年來已顯示出光電性能好和制備成本低廉等優勢。典型的PSC由電子傳輸層（如TiO2），鈣鈦礦光吸收層（如CH3NH3PbI3)，空穴傳輸層（HTL）（如spiro-OMeTAD）以及金屬接觸電極組成。傳統空穴傳輸層spiro-OMeTAD材料價格昂貴且傳輸性能較差，一些新發現的有機復合材料如三苯胺和PEDOT:PSS等，還有石墨烯和單層碳納米管也陸續作為空穴傳輸材料來使用。雖然鈣鈦礦具有雙載流子傳輸性能，但無空穴層（HTL）鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率還是較低。調整優化能帶排列的異質結工程可以改善許多光伏器件的光電性能。有文獻報道，適當的能級界面層可以有效促進載流子注入并減少復合損失。雖然異質結結構有耗盡層深度較窄的缺點，這會導致電子/空穴往未衰竭區聚集，但是合理的分級異質結結構可以增強MAPbI3向背電極抽取和傳輸空穴的效率。

【成果簡介】

最近，山東大學尹龍衛教授(通訊作者)課題組在Adv. Mater. 上發表了題為“Graded Heterojunction Engineering for Hole-Conductor Free Perovskite Solar Cells with High Hole Extraction Effciency and Conductivity”的文章。該研究團隊設計了一種全新的鈣鈦礦太陽能電池結構，利用多級異質結無機鈣鈦礦CsPbBrxI3?x作為空穴傳輸材料。調控鹵化物的比例及其在CsPbBrxI3?x薄膜中的擴散，使分級調整MAPbI3和CsPbBrxI3?x間的價帶和倒帶得到最佳排列。分級異質結結構的無空穴層PSC分具有出色的熱穩定性和大大提高的電池效率，效率可達11.33%，比完全無空穴傳輸層（HTL)的電池效率（為8.16%）高出近40%。

【圖文導讀】

圖1 無機鈣鈦礦的XRD圖和紫外可見光吸收（UV-vis）和穩態熒光（PL）光譜圖

a）典型無機鈣鈦礦 CsPbBrxI3?x納米晶體的XRD圖；

b）制備的CsPbBrxI3?x納米晶體的UV-vis和PL光譜圖，插圖為紫外燈（λ = 365 nm）下溶于氯苯中溶膠無機鈣鈦礦的量子點圖片。

圖2 CsPbBrxI3?x納米晶體薄膜的全紫外光電子（UPS）能譜圖

a）CsPbBrxI3?x 納米晶體薄膜的全紫外光電子（UPS）能譜圖；

b）低結合能區UPS能譜圖的放大版截圖；

c）高結合能區截圖；

d）從光吸收圖譜中計算而來的 CsPbBrxI3?x納米晶體薄膜的測試曲線圖；

e）測試圖中測算的帶隙對應溴的摩爾比的示意圖。

圖3 分級異質結鈣鈦礦太陽能電池的能帶圖

a）經UPS推理，可得的分級異質結鈣鈦礦太陽能電池的能級圖。CsPbBrxI3?x 納米晶體薄膜中鹵化物含量取自CsPbBrI2 和CsPbI3之間；

b）MAPbI3薄膜和CsPbBrxI3?x 薄膜界面處能級示意圖，Evav表示真空能，Ec是倒帶，Ef是費米能級，Ev是價帶；

c）在無HTL太陽能器件中載流子傳輸機制示意圖；

d）在無HTL的一級太陽能器件中載流子傳輸機制示意圖；

e-f）在無HTL的多級太陽能器件中載流子傳輸機制示意圖。

圖4 無HTL分級異質結鈣鈦礦電池結構示意圖和性能測試結果

a）分級CsPbBrxI3?x 納米晶體薄膜太陽能電池的原理圖；

b）分級CsPbBrxI3?x 納米晶體薄膜太陽能電池SEM斷面圖；

c-d）分級CsPbBrxI3?x 納米晶體薄膜太陽能電池的J-V曲線和IPCE曲線；

e）MAPbI3、分級納米晶體薄膜和Ag薄膜制備的半導體器件的TRPL光譜圖；

f）分級CsPbBrxI3?x 納米晶體薄膜太陽能電池的EIS光譜圖。

圖5?三種不同空穴傳輸材料鈣鈦礦太陽能電池穩定性變化（所有電池均未封裝）

三種電池空穴傳輸層分別是spiro-OMeTAD空穴傳輸層、無空穴傳輸層、分級CsPbBrxI3?x納米晶體薄膜傳輸層；

a）隨溫度變化的標準能量轉換效率；

b）真空下50℃的標準能量轉換效率變化；

c）室溫下40%濕度的標準能量轉換效率變化。

表1?不同分級納米晶體薄膜的無空穴傳輸層的優化的鈣鈦礦太陽能電池的平均性能匯總

【小結】

在該項工作中，研究人員首次實現了高性能和穩定性好的MAPbI3-CsPbBrxI3?x分級異質結無-HTL的太陽能電池的制備和表征，電池效率PEC達到11.33%。該研究的的重點為通過分級異質結結構改善電池效率，同時為解決無HTL及其它鈣鈦礦太陽能電池電子空穴提取障礙提供了一種新思路。

文獻鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201701221/full（Adv. Mater.,2017,DIO: 10.1002/adma.201701221）

本文由材料人編輯部沈黎麗編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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