華中科大陳煒Adv. Energy Mater. :基于低溫溶液法制備CuCrO2空穴傳輸層的高效、高光穩定鈣鈦礦太陽能電池

引言

在短短幾年間，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已經突破22%，然而其對濕度和光照的穩定性是限制其工業化生產的重要因素。雖然近年來，科研工作者通過多種手段提高鈣鈦礦太陽能電池對濕度的穩定性，但是鈣鈦礦太陽能電池的光穩定性研究較少，尤其是紫外光(<400 nm)穩定性。目前降低紫外光對鈣鈦礦的分解主要有兩種途徑：一種是將鈣鈦礦吸收的紫外光轉換成可見光；另一種是制備紫外光阻擋層，將紫外光過濾。在順式n-i-p結構中已有報道BaSnO₃ 作為電子傳輸層抑制紫外光對鈣鈦礦的分解，但是在反式p-i-n結構的鈣鈦礦太陽能電池中，如何降低紫外光對鈣鈦礦層的分解是亟待解決的問題。本研究中，通過低溫溶液法制備致密的CuCrO₂空穴傳輸層，并將其應用在反式p-i-n鈣鈦礦太陽能電池中，取得19%的光電轉換效率，同時，CuCrO₂空穴傳輸層能夠吸收紫外光從而降低紫外光對鈣鈦礦的破壞，最終提高鈣鈦礦太陽能電池的光穩定性。

成果簡介

最近， 華中科技大學武漢光電國家科學中心的陳煒教授課題組與香港科技大學楊世和教授，華盛頓大學Alex K.-Y. Jen教授合作，在Adv. Energy Mater. 上發布了一篇名為 ”Low-Temperature Solution-Processed CuCrO₂ Hole-Transporting Layer for Efficient and Photostable Perovskite Solar Cells“ 的文章。該研究中通過低溫溶液法制備致密的CuCrO₂空穴傳輸層并將其應用在反式p-i-n鈣鈦礦太陽能電池中，取得19%的光電轉換效率；研究同時發現，CuCrO₂空穴傳輸層能夠吸收紫外光從而降低紫外光對鈣鈦礦的破壞，最終提高鈣鈦礦太陽能電池的光穩定性。

圖文簡介

圖1 CuCrO₂ 晶體結構及器件結構和能級圖

（a）CuCrO₂的晶體結構；

（b）鈣鈦礦太陽能電池的結構示意圖；

（c）對應的能級圖。

圖2 CuCrO₂及其薄膜的性能表征圖

（a）CuCrO₂的XRD圖；

（b）CuCrO₂的TEM圖（低放大倍數）；

（c）CuCrO₂的粒徑統計分布圖；

（d）CuCrO₂的TEM圖；

（e）CuCrO₂的HR-TEM圖；

（f）CuCrO₂的HR-TEM相應的SAED圖；

（g）CuCrO₂薄膜的SEM圖；

（h）CuCrO₂薄膜的AFM圖；

（i）不同厚度的CuCrO₂薄膜的透過率圖。

圖3 基于CuCrO₂的鈣鈦礦薄膜及鈣鈦礦器件性能表征圖

（a）基于CuCrO₂的鈣鈦礦的SEM圖；

（b）鈣鈦礦，鈣鈦礦/CuCrO₂以及鈣鈦礦/NiO的PL圖；

（c）鈣鈦礦太陽能電池的截面SEM圖；

（d）CuCrO₂和NiO兩種器件的JV曲線圖；

（e）兩種器件的IPCE圖；

（f）兩種器件效率分布的相狀圖。

圖4 CuCrO₂和NiO兩種器件的光穩定性測試

（a）CuCrO₂和NiO兩種膜的UV-vis圖；

（b）CuCrO₂和NiO兩種器件的光穩定性測試示意圖；

（c）-（f）CuCrO₂和NiO器件在紫外燈照射下的V_OC，J_SC，FF 以及PCE隨時間的演變圖。

小結

CuCrO₂由于具有較高的空穴遷移率和電導率，同時其價帶位置與鈣鈦礦的價帶位置匹配，使鈣鈦礦能夠更有效地將空穴注入至CuCrO₂中，器件性能為19.0%。更重要的，CuCrO₂可以吸收部分紫外光，從而有效地抑制了紫外光對鈣鈦礦膜的破壞，暴露在紫外燈下照射1000 h，發現基于CuCrO₂的器件性能僅降低約10%。

文獻鏈接：Low-Temperature Solution-Processed CuCrO₂ Hole-Transporting Layer for Efficient and Photostable Perovskite Solar Cells（Adv. Energy Mater.，2018，DOI: 10.1002/aenm.201702762）

團隊介紹：

陳煒教授本碩博畢業于清華大學材料科學與工程系，2008年獲得工學博士學位；2008-2010年，香港科技大學化學系從事博士后研究；2012年2月-3月，澳大利亞Monash大學材料系，短期學術訪問；2012年7月-8月，香港科技大學化學系，訪問學者；2014年4月，日本國立材料與物質研究機構（NIMS）特別研究員，訪問研究1年。2010年4月至2016年1月，華中科技大學武漢光電國家實驗室副教授。2016年1月至今，華中科技大學武漢光電國家實驗室教授，博士生導師（2014年-至今）。入選國家第三批萬人計劃“青年拔尖”人才。獲得2015年中國十大科技新銳人物稱號。

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