Adv. Energy. Mater. :穩定高效的聚合物摻雜鈣鈦礦電池

【引言】

如今鈣鈦礦電池效率已經達到21.1%，已經超過了商業化的晶硅太陽能電池，但是由于器件存在穩定性差等問題，嚴重阻礙了其商業化的進程。鈣鈦礦電池中的每一層結構對器件性能的影響都非常大。在鈣鈦礦層中，鈣鈦礦晶粒內部的缺陷態極少，因此載流子在鈣鈦礦晶粒內部的復合可以忽略不計。但是，載流子復合與材料降解的卻常發生在鈣鈦礦的晶界和鈣鈦礦薄膜表面上，嚴重制約了器件的穩定性與效率。為了提高器件的效率與穩定性，一般通過增加鈣鈦礦顆粒尺寸來減小晶界數量來提升器件的效率，同時通過表面鈍化的方式來提高器件的環境穩定性。研究發現，在前驅體中加入高分子聚合物材料，可以獲得形態和結晶度較好的鈣鈦礦型薄膜。同時長鏈的聚合物可以形成網狀薄膜使鈣鈦礦與水氧隔絕。然而，這里有兩個主要的問題仍沒有被系統的研究過：1.鈣鈦礦/聚合物表面真的存在顯著的電荷轉移嗎？2.如果有，是否真對器件性能有利？

【成果簡介】

近日，陜西師范大學陜西師范大學劉忠生教授和靳志文博士（共同通訊作者）在Advanced Energy Materials 上發表了一篇名為 “Polymer Doping for High-Efficiency Perovskite Solar Cells with Improved Moisture Stability” 的文章。在這次研究中，研究者使用了多種聚合物來對鈣鈦礦進行摻雜。研究發現，所有聚合物都能對鈣鈦礦進行有效的鈍化，與聚合物的帶隙無關。使用聚合物摻雜的器件能夠提升10%的效率，從17.43%增加至19.19%，器件的穩定性也得到提升。

【圖文簡介】

圖1：器件結構圖、截面SEM和能帶圖，聚合物的分子式與能帶圖

(a).鈣鈦礦太陽能電池結構圖；

(b).鈣鈦礦太陽能電池截面SEM圖；

(c).鈣鈦礦太陽能電池能帶圖；

(d).所使用到的聚合物的分子式；

(e).聚合物的能帶圖。

圖2:摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的結構表征圖

(a-e).摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的AFM圖；

(f- j).摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的SEM俯視圖；

(k- o). 摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的SEM側視圖。

圖3：摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的性能表征圖

(a).摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的XPS譜；

(b).摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的UPS譜；

(c).摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的XRD譜；

(d).摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的吸收譜；

(e).摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的PL譜；

(f). 摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜電池的J-V曲線。

圖4：摻雜不同聚合物的鈣鈦礦薄膜的性能表征圖

(a).摻雜不同聚合物的鈣鈦礦薄膜的XPS譜；

(b).摻雜不同聚合物的鈣鈦礦薄膜的UPS譜；

(c).摻雜不同聚合物的鈣鈦礦薄膜的XRD譜；

(d).摻雜不同聚合物的鈣鈦礦薄膜的吸收譜；

(e).摻雜不同聚合物的鈣鈦礦薄膜的PL譜；

(f). 摻雜不同聚合物的鈣鈦礦薄膜電池的J-V曲線。

圖5:未摻雜器件與J71摻雜優化后的器件性能對比

(a).對比器件的正反掃J-V曲線；

(b).對比器件的EQE曲線；

(c-f).對比器件各取25個器件的Jsc(c)、Voc(d)、FF(e)和PCE(f)的統計分布。

圖6：未摻聚合物與摻J71聚合物器件對比穩定性測試與其他性能測試

(a).0.9V偏壓下，對比器件的效率與時間的關系曲線；

(b).未封裝對比器件的空氣老化時間；

(c).摻J71與未摻雜的鈣鈦礦薄膜的核磁共振譜；

(d).暗電流拐點測試，插圖為器件結構；

(e).兩種薄膜沉積在TiO₂/FTO上的時間分辨熒光光譜；

(f).交流阻抗曲線。

【小結】

研究表明，對鈣鈦礦薄膜進行聚合物摻雜可以有效提高器件的性能。聚合物摻雜使得鈣鈦礦薄膜的陷阱態密度大大降低，鈍化效果得到提升，使太陽能電池效率提高到19.19%，消除了J –V的遲滯現象，并且表現出更加優異的穩定性。

文獻鏈接：Polymer Doping for High-Efficiency Perovskite Solar Cells with Improved Moisture Stability (Adv. Energy. Mater., 2017, DOI:10.1002/aenm.201701757)

團隊介紹

劉生忠教授領導的團隊是國內外較早從事鈣鈦礦太陽電池研究的團隊之一。團隊研發了鈣鈦礦單晶生長新方法，成功制備了超大尺寸鈣鈦礦單晶，各方面指標均領先領域先進水平【Y. Liu, Z. Yang, D. Cui, X. Ren, J. Sun, X. Liu, J. Zhang, Q. Wei, H. Fan, F. Yu, X. Zhang, C. Zhao, S. F. Liu, Adv. Mater. 2015, 27, 5176-5183；Y. Liu, X. Ren, J. Zhang, Z. Yang, D. Yang, F. Yu, J. Sun, C. Zhao, Z. Yao, B. Wang, Q. Wei, F. Xiao, H. Fan, H. Deng, L. Deng, S.(Frank) Liu, SCIENCE CHINA Chemistry 2017, 10.1007/s11426-017-9081-3.】。在平面型鈣鈦礦電池和柔性鈣鈦礦電池方面，均先后幾次報道了領域最高效率【D. Yang, R. Yang, X. Ren, X. Zhu, Z. Yang, C. Li, S. F. Liu, Adv. Mater. 2016, 28, 5206-5213; D. Yang, R. Yang, J. Zhang, Z. Yang, S. Liu, C. Li, Energy Environ. Sci. 2015, 8, 3208-3214.】。特別是采用獨特的界面修飾方法和雙源共蒸法，平面異質結電池效率超過了20%；發展了優質的TiO2和Ni2O5電子傳輸層的低溫沉積工藝，制備的柔性鈣鈦礦電池效率達到18.32%。這些成果都達到了同類研究的國際先進水平。

優質文獻推薦

• Jiang, Z. Jin, J. Lei, Q. Wang, X. Zhang, J. Zhang, F. Gao, S. F. Liu, J. Mater. Chem. A 2017, 5, 9514.
• Wang, X. Zhang, Z. Jin, J. Zhang, Z. Gao, Y. Li, F. S. Liu, ACS Energy Lett. 2017, 2, 1479.
• Feng, Z. Yang, D. Yang, X. Ren, X. Zhu, Z. Jin, W. Zi, Q. Wei, S. Liu, Nano Energy 2017,36,1.
• Yang, R. Yang, J. Zhang, Z. Yang, S. Liu and C. Li, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 3208–3214.
• Zhu X, Yang D, Yang R, et al. Superior stability for perovskite solar cells with 20% efficiency using vacuum co-evaporation[J]. Nanoscale, 2017, 9(34): 12316-12323.

本文由材料人新能源學術組劉于金供稿，材料牛整理編輯。

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