黃勁松Nat. Commun. ：鈣鈦礦太陽能電池商業化進程的巨大進步——量產的、低廉的、效率高達20%的鈣鈦礦太陽能電池

【引言】

鈣鈦礦太陽能電池自從2009年首次報道以來已經取得了巨大進展。大部分溶液法制備的鈣鈦礦太陽能電池已認證的效率達到20%以上。然而幾乎所有高效率的鈣鈦礦太陽能電池都是用旋涂法制備的，這種制備方法無法滿足工業化的高吞吐量與規模化制備的要求。研究者研發了幾種適用于規模化生產的鈣鈦礦薄膜制備方法，如：刮刀涂布法、噴霧沉積法、噴墨打印法和電沉積等。其中，由于刮刀涂布法的基底溫度可控，因此在規模化制備高質量、大晶粒鈣鈦礦薄膜方法中脫穎而出。值得欣慰的是刮刀涂布法制備的鈣鈦礦太陽電池效率以及高達19%，已經十分接近旋涂法制備的器件。

商業化生產不僅要滿足與規模化生產，還要滿足制造成本低。但是現在鈣鈦礦太陽能電池都需要昂貴的空穴傳輸層來實現高效率，如spiro-OMeTAD等。此外，疏水性的空穴傳輸層的存在導致將鈣鈦礦薄膜很難刮涂上去。因此考慮將空穴傳輸層去掉不僅有利于降低材料成本，還有利于降低制造成本，節約時間。

然而在去掉空穴傳輸層后，鈣鈦礦薄膜與ITO的功函數不匹配導致空穴很難從鈣鈦礦傳輸至ITO層，因此導致器件效率低下。如何解決功函數匹配問題是制備無空穴層高效鈣鈦礦太陽能電池面臨的巨大挑戰。

【成果簡介】

近日，北卡羅納大學和內布拉斯加大學林肯分校的黃勁松教授在Nat. Commun.上發表了一篇題為“Molecular doping enabled scalable blading of efficient hole-transport-layer-free perovskite solar cells”的文章。該文章報道了一種分子摻雜策略成功的解決了鈣鈦礦與ITO的能帶不匹配問題，實現了效率高達20%的無空穴傳輸層鈣鈦礦太陽能電池，此外該研究配合刮刀涂布法成功實現了高效太陽能電池的量產化。

【圖文簡介】

圖1：刮刀涂布法和摻雜F4TCNQ分子的鈣鈦礦薄膜

(a). 刮刀涂布鈣鈦礦薄膜示意圖和F4TCNQ摻雜劑的化學結構式；

(b). 基底為150攝氏度，刮涂在ITO上的鈣鈦礦薄膜的側面SEM圖；

(c-h).無摻雜鈣鈦礦薄膜的AFM圖(c)和表面勢壘圖(f)；F4TCNQ摻雜鈣鈦礦薄膜的AFM圖(d)和表面勢壘圖g)；將F4TCNQ顆粒灑在雜鈣鈦礦薄膜的AFM圖(e)和表面勢壘圖(h)；

(i). 不同鈣鈦礦膜表面電位分布；

(j). MAPbI₃:F4TCNQ共混物能量圖和電子轉移過程示意圖。?

圖2：純鈣鈦礦薄膜和摻雜鈣鈦礦薄膜的電導率和光致發光壽命

(a). 鈣鈦礦薄膜橫向電導率的測試模型；

(b). 摻雜與無摻雜鈣鈦礦薄膜的I-V曲線；

(c). 時間分辨光致發光曲線；

(d). 導電原子力顯微鏡測試方法；

(e-h). 無摻雜的鈣鈦礦薄膜的晶粒形貌AFM圖(e)和在晶粒上與晶界上的C-V圖(f)；摻雜的鈣鈦礦薄膜的晶粒形貌AFM圖(g)和在晶粒上與晶界上的C-V圖(h)。

圖3：鈣鈦礦薄膜形貌，器件結構與光伏性能

(a-b).摻雜鈣鈦礦薄膜的低分辨率與高分辨率SEM圖；

(c). 無空穴層鈣鈦礦電池器件結構圖；

(d). J-V曲線；

(e). 穩態電流和穩態PCE測試；

(f). EQE和積分電流；

(g). 器件效率的統計分布圖。

圖4：界面空穴轉移機理

(a). 空穴在ITO/MAPbI₃界面轉移示意圖；

(b). 空穴在ITO/F4TCNQ-MAPbI₃界面轉移示意圖。

【小結】

? 該研究首先利用刮刀涂布法克服了大規模制備高質量鈣鈦礦薄膜難題，然后通過分子摻雜法解決了高效率無空穴傳輸層鈣鈦礦電池的難題。最后器件效率高達20%,并且幾乎無遲滯效應。該研究為鈣鈦礦太陽能電池商業化帶來了曙光。

文獻鏈接：Molecular doping enabled scalable blading of efficient hole-transport-layer-free perovskite solar cells (Nature Communications, 2018, DOI:10.1038/s41467-018-04028-8)

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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