香港大學蔡植豪Adv. Energy. Mater. :首次以鈷酸鎳納米片作為空穴傳輸層的高效鈣鈦礦太陽能電池

【引言】

有機無機鈣鈦礦太陽能電池是一種極具發展前景的光伏技術，其太陽能效率在短短幾年內迅速提高到22%以上。電荷(電子、空穴)傳輸層是提升鈣鈦礦太陽能電池效率的關鍵。然而，大部分的有機電荷傳輸層材料造價昂貴，如2,2′,7,7′-tetrakis[N,Ndi-(4-methoxyphenyl)amino]-9,9′-spirobifluorene, poly-3-hexylthiophene 和 poly(triarylamine)等。雖然有一些廉價的有機電荷傳輸層，如PEDOT:PSS，卻因為其酸性性質嚴重影響了鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。

無機空穴傳輸層材料具有廉價、光電性能好、穩定性好等優點。根據其元素組成，一般可分為二元化合物、三元化合物等，三元氧化物具有良好的導電性和可調諧的光學和電學性質，在鈣鈦礦太陽能電池中具有廣闊的應用前景。近期，溶膠法合成的尺寸小于100 nm的Cu_γCr_zO2顆粒作為空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的效率達到17.19%；微波輔助法制備的粒徑為50-75 nm、厚度為10-15 nm的CuGaO₂納米片作為空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池效率達到18.51%；磁控管共研磨技術制備的Co_1-γCu_γO_x薄膜作為空穴傳輸層的鈣鈦礦電池效率也超過了10%。考慮到小納米粒子有利于形成高質量的薄膜，包括良好的填充(即消除空隙和空隙)和功能形貌(即光滑致密的膜)，用簡易方法制備的直徑在幾納米范圍內的無機納米粒子用做于鈣鈦礦太陽能電池中高效空穴傳輸層仍然十分需要。

由鎳占據八面體位點、鈷同時占據四面體和八面體位點的晶尖石鈷酸鎳（NiCo₂O₄）是一種傳導率高達500 S cm^-1的 p-型半導體材料。由于其電化學活性、環境友好性、成本低、豐度高等優點，在光電探測器、氧還原、鋰離子電池和電催化等領域得到了廣泛的應用。現在常用的幾種合成鈷酸鎳的方法有：熱分解法、燃燒法、靜電紡絲法、噴霧熱解法、溶膠-凝膠法、水熱法和脈沖激光沉積法等。然而，大部分合成的鈷酸鎳為不適合成膜的微米級大尺寸結構，并且其制備過程涉及到復雜的制備工藝、高溫、有毒(NH₄F)等。雖然可以通過表面活性劑（如乙二醇）可以降低顆粒的尺寸至10-20 nm，但是表面活性劑卻會嚴重影響估鈷酸鎳的電學性質。以上問題導致了至今仍未有報道以鈷酸鎳作為空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池。

【成果簡介】

近日，香港大學蔡植豪教授等人在Adv. Energy. Mater.上發表了一篇名為“Strategic Synthesis of Ultrasmall NiCoO4 NPs as Hole Transport Layer for Highly Efficient Perovskite Solar Cells”的文章。該文章提出了一種制備納米尺寸的鈷酸鎳納米粒子新策略，并且用其作為空穴傳輸層制備的鈣鈦礦太陽能電池的效率高達18.23%。

【圖文簡介】

圖1：鈷酸鎳納米片制備過程

鈷酸鎳納米粒子的制備新策略以及反應原理。

圖2：鈷酸鎳納米粒子的表征

(a). 鈷酸鎳納米粒子的XRD譜；

(b). 鈷酸鎳納米粒子的高分辨率透射電鏡圖，插圖為對應的衍射圖；

(c). 鈷酸鎳納米粒子的透射電鏡圖，插圖為粒徑統計分布；

(d-f). Ni 2p、Co 2p和O 1s 的XPS譜。

圖3：鈣鈦礦薄膜的表征

(a). 生長在鈷酸鎳上的氯化鈣鈦礦薄膜的AFM圖；

(b). 生長在PEDOT:PSS上的氯化鈣鈦礦薄膜的AFM圖；

(c). 生長在鈷酸鎳上的氯化鈣鈦礦顆粒的粒徑統計分布；

(d). 生長在PEDOT:PSS上的氯化鈣鈦礦顆粒的粒徑統計分布；

(e). 分別生長在鈷酸鎳和PEDOT:PSS上鈣鈦礦薄膜的XRD譜。

圖4:器件性能表征

(a). 鈷酸鎳空穴傳輸層的鈣鈦礦電池的能帶圖；

(b). 鈷酸鎳空穴傳輸層的鈣鈦礦電池的截面SEM圖；

(c). 鈷酸鎳空穴傳輸層的鈣鈦礦電池的J-V曲線；

(d). 鈷酸鎳空穴傳輸層的鈣鈦礦電池的光穩定性測試；

(e). 鈷酸鎳空穴傳輸層的鈣鈦礦電池的PCE、J_SC、FF、V_OC的穩定性測試。

【小結】

? 研究者通過一種新型的策略制備出了5 nm尺寸鈷酸鎳納米粒子，這種納米粒子不僅可以形成高質量的膜，鈷酸鎳納米粒子形成的空穴傳輸層的另一個優點是改善在頂部形成的鈣鈦礦膜的結晶度和晶粒尺寸,器件效率達到18.23%，在500小時光照下其效率仍然高達90%。因此，這種新合成鈷酸鎳納米粒子具有成本低、制備簡單、無活性劑、溶液處理能力強，這為新型光伏器件的應用提供了機遇。

文獻鏈接：Strategic Synthesis of Ultrasmall NiCoO4 NPs as Hole Transport Layer for Highly Efficient Perovskite Solar Cells (Adv. Energy. Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201702722)

?本文由材料人編輯部新能源學術組金也供稿，材料牛編輯整理。

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