電子科技大學李世彬教授Adv. Mater.綜述：基于氧化鋅電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池

【引言】

作為一種新興的材料，有機無機雜化鹵化物鈣鈦礦材料在近年來受到了廣泛的關注。基于鈣鈦礦材料的太陽能電池效率更是從2009年的3.8%飛速提升至目前的22.1%，是目前太陽能電池領域的研究熱點之一。鈣鈦礦太陽能電池通常由電子傳輸材料，空穴傳輸材料，鈣鈦礦吸收層以及電極組成。作為太陽能電池的重要組成部分，電子傳輸材料對鈣鈦礦太陽能電池性能有著直接且顯著地影響，因此對電子傳輸材料的深入研究對于鈣鈦礦太陽能電池性能進一步提升有重要意義。

近日，電子科技大學的李世彬教授和倫敦大學學院巫江博士等人以“Perovskite Solar Cells with ZnO Electron-Transporting Materials”為題在Advanced Materials 上發表了綜述文章。文章總結了氧化鋅電子傳輸材料的物理性質，常見制備方法，基于氧化鋅電子傳輸材料的鈣鈦礦太陽能電池的研究進展以及氧化鋅材料對太陽能電池性能以及穩定性的影響，并討論了提升基于氧化鋅電子傳輸材料的鈣鈦礦太陽能電池性能以及穩定性的一些手段。

綜述總覽圖

1. 概述

有機無機雜化鹵化物鈣鈦礦材料通常是指具有ABX₃結構的鈣鈦礦材料（如圖1（a）所示），其中A代表有機陽離子或陽離子基團例如CH₃NH₃⁺，NH=CHNH³⁺等，B代表無機陽離子，例如Pb²⁺或Sn²⁺等；X代表鹵素原子，例如I，Cl，Br等。

相比傳統的純有機半導體材料以及無機半導體材料，有機無機雜化鹵化物鈣鈦礦材料具有自己獨特的性質：首先，較大的玻爾半徑，較高介電常數以及較低的激子結合能，這保證了光生激子的分離效率；其次，鈣鈦礦材料的載流子擴散距離以及擴散速度較大；最后，大部分鈣鈦礦材料具有1.5 eV的禁帶寬度，其對可見光波段的吸收是非常有利的。自2009年Kojima等人首次將鈣鈦礦材料引入到太陽能電池領域之后，鈣鈦礦太陽能電池的效率已經從最初的3.8%飛速提升到目前由Sang Il Seok等人報道的22.1%（如圖1（b）所示），充分展現了其在光伏領域的應用潛力。

圖1. (a) 鈣鈦礦材料的典型結構；(b)-(f) 鈣鈦礦太陽能電池的常見結構以及發展歷史。

鈣鈦礦太陽能電池通常可以分為平面結構和介孔結構兩大類，每一類有分別包含N-I-P結構和P-I-N結構兩種（如圖1（c）-（f）所示）。雖然結構多種多樣，但是鈣鈦礦太陽能電池通常都由電子傳輸材料，鈣鈦礦吸收層，空穴傳輸材料以及電極組成。

電子傳輸材料在電池中的主要作用是阻擋空穴傳輸以及平衡電子空穴傳輸距離，因此其對電池的性能有重要的影響。與目前最常用的氧化鈦電子傳輸材料相比，氧化鋅具有與氧化鈦類似的能級位置，更高的電子傳輸速率（圖2（a-c））以及多種多樣的制備手段（圖2（d-f）），這為基于氧化鋅的鈣鈦礦太陽能電池的發展打下了良好的基礎。

圖2 (a)-(c) 氧化鋅材料的基本物理性質；(d)-(f) 常用的氧化鋅材料制備方法。

2.基于氧化鋅電子傳輸層的鈣鈦礦電池發展現狀

由于鈣鈦礦材料本身較長的載流子擴散距離以及雙極傳輸特性，使得結構簡單平面結構器件成為可能。Tseng等人使用磁控濺射方法制備了致密氧化鋅薄膜，在此基礎上獲得了轉化效率為15.9%的平面鈣鈦礦太陽能電池。他們發現通過調控濺射制備氧化鋅薄膜過程中使用的氧氣/氬氣比例可以有效地提升電池的載流子抽取效率，進而提升電池性能。除此之外，薄膜厚度對電池性能也有顯著影響。

圖3 不同氧氬比以及薄膜厚度對基于氧化鋅致密薄膜的電池性能影響

除致密氧化鋅薄膜外，氧化鋅納米顆粒薄膜在鈣鈦礦太陽能電池中也有廣泛應用。Liu等人首次將氧化鋅納米顆粒薄膜作為鈣鈦礦電子傳輸層使用，并獲得了15.7%的效率。當納米顆粒薄膜作為電子傳輸層時，氧化鋅納米顆粒薄膜的厚度以及氧化鋅納米顆粒的尺寸對太陽能電池的性能有著顯著地影響。

圖4 氧化鋅納米顆粒的尺寸對電池性能影響

氧化鋅納米柱是另一種在廣泛使用的電子傳輸層，由Bi等人在2013年首次引入鈣鈦礦太陽能電池中，并獲得了5%的轉化效率。同時，他們發現氧化鋅納米柱長度對電池的性能有明顯的影響。但是使用氧化鋅納米柱薄膜的主要問題在于氧化鋅納米柱具有較大的長徑比，難以保證鈣鈦礦薄膜在納米柱表面的覆蓋率，為了解決該問題，人們開發了一系列的方法。

圖5 氧化鋅納米柱尺寸對電池性能影響

圖6 溶劑工程提升氧化鋅納米柱表面鈣鈦礦薄膜結晶以及覆蓋率

基于氧化鋅的鈣鈦礦太陽能電池在效率以及穩定性等方面仍舊落后于基于氧化鈦的鈣鈦礦太陽能電池，這主要是由于氧化鋅材料的嚴重表面復合以及氧化鋅與鈣鈦礦材料之間的反應引起的。因此，表面修飾，摻雜等多種手段被用于提升基于氧化鋅的鈣鈦礦太陽能電池的性能以及穩定性。

圖7 氧化鋅表面修飾以及摻雜對鈣鈦礦太陽能電池性能以及穩定性的提升

3. 總結與展望

雖然基于氧化鋅電子傳輸材料的鈣鈦礦太陽能電池的飛速發展充分展現了其巨大的應用潛力，但是與現有的基于氧化鈦電子傳輸材料電池相比仍有明顯的不足。但是，對于氧化鋅基器件的研究在一定程度上可以幫助我們加深對鈣鈦礦材料以及基于鈣鈦礦材料器件的理解，進而可以推動氧化鈦基器件的進一步發展。因此，對于氧化鋅電子傳輸材料的深入研究是必要且有意義的。

文獻鏈接：Perovskite Solar Cells with ZnO Electron-Transporting Materials (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201703737)

作者簡介

李世彬，博士，電子科技大學光電信息學院教授，博士生導師，四川省千人計劃專家。研究方向為基于鈣鈦礦體系材料的太陽能電池，探測器和傳感器等。課題組承擔國家及省部級項目多項。2017年，已發表一區論文8篇，其中有Advanced Materials一篇，Nano Energy 兩篇，ESI高被引三篇。

本文由電子科技大學李世彬老師課題組提供。

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