Advanced Materials:克服平面結鈣鈦礦電池的界面損失【新能源160512期】

鈣鈦礦電池作為第三代太陽能電池的新秀，光電轉化效率已高達22%，遠遠高于薄膜、染料和量子點敏化太陽能電池的效率，可以和硅基太陽能電池相媲美。但是，滯后現象(所謂滯后現象是指鈣鈦礦電池在進行效率J-V曲線測量時，性能會隨著測試正向和反向而不同，更有甚者，改變測試時的速率和也會改變性能曲線。)一直是困擾和阻礙鈣鈦礦電池進一步發展的主要原因之一。因此，探索滯后現象的本質原因以及一定程度的降低滯后現象，無疑是太陽能電池的里程碑式的進步。

近日，埃爾朗根-紐倫堡大學的Yi Hou和Christoph J. Brabec課題組發現了以NiO納米晶體(LT-NiO)作為空穴傳輸材料的鈣鈦礦電池的滯后現象得到了顯著的降低，該電池的光電轉化效率達17.5%，相比基于3，4-乙撐二氧噻吩單體-聚苯乙烯磺酸鹽聚合物（PEDOT:PPS）空穴傳輸層的鈣鈦礦電池（12.4%），提高了41.1%。

本工作的亮點在于低溫環境下制備的以LT-NiO為空穴傳輸層的鈣鈦礦電池，其滯后現象幾乎消失。同時，文章比較系統的對比了LT-NiO與傳統空穴傳輸材料（PEDOT:PPS），并對不同熱處理溫度LT-NiO膜進行電池性能的研究。最后，為進一步提高電池光電轉化效率，作者引入了二萘嵌苯—二酰亞胺衍生物（PDINO）作為電子傳輸的輔助層，從而使填充因子得到極大提升。

以下是該工作圖文詳解：

圖1. (a)電池結構示意圖：導電玻璃（ITO）/LT-NiO/鈣鈦礦（Perovskite）/富勒烯衍生物（PCBM）/（PDINO）/Ag，(b) PDINO的分子結構。(c) LT-NiO的晶體結構，(d)反向鈣鈦礦電池的能帶匹配圖，(e)和(f)分別是以PEDOT:PPS和 LT-NiO為基底的鈣鈦礦膜的形貌，(g)和(h)分別是以PEDOT:PPS和 LT-NiO空穴傳輸層的完整鈣鈦礦電池的截面圖。

圖2. NiO納米顆粒的透射電鏡圖(a)，高分辨下的電鏡圖(b)和選定區電子衍射(c)。

圖3. 不同界面層的J-V測試曲線。(a)有無添加PDINO 的電池的J-V曲線，很明顯看出，添加了PDINO層的電池填充因子有了很大的提高，(b)處理溫度對電池性能的影響，對LI-NiO層進行140°C熱處理后的效率是最佳的，(c) 以PEDOT:PPS和 LT-NiO為空穴傳輸材料的電池性能，與傳統空穴傳輸材料相比，表現出良好的光電轉化效率，最高效率達17.5%，(d) LT-NiO空穴傳輸材料的電池的外量子轉化效率在全波段都高于PEDOT:PPS電池的外量子轉化效率，說明LT-NiO材料加速了載流子的分離和空穴的傳輸。

圖4. 不同界面層的電池的滯后現象和穩態電流。(a)傳統空穴傳輸材料制備的電池的正反掃曲線，可以看出PEDOT:PPS電池滯后現象嚴重，(b)添加PDINO層后，電池的正反掃曲線重合，說明該電池的滯后現象消失，(c)同時添加LT-NiO 和PDINO 層的電池滯后現象消失，相比（b），短路電流和開路電壓均得到提升，效率也明顯增加，(d)穩態電流比介孔鈣鈦礦電池還要高，說明該電池的穩定性可以和介孔鈣鈦礦電池相比擬。

圖5. 傅里葉變換光電流光譜(FTPs) 和光致發光(EL)測量。

結合FTPs和EL研究，可以得出LT-NiO₂相比于PEDOT:PPS有效抑制了非輻射復合，其非輻射損失電壓（V_oc）只有0.226V，與Si電池和CIGS電池的損失值相當。

以LT-NiO₂為空穴傳輸層，結合PCBM/PDINO電子傳輸層的低溫制備的鈣鈦礦電池成功削弱了滯后現象，并獲得了17.5%的光電轉換效率，是目前低溫制備的平面結鈣鈦礦電池中的最高效率。因此，該鈣鈦礦電池有望從實驗室走向實際應用。

該工作發表于Advanced Materials (IF= 17.493), 原文鏈接：：Overcoming the Interface Losses in Planar Heterojunction Perovskite-Based Solar Cells.

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