浙江大學Adv. Energy Mater: 高性能膜厚不敏感鈣鈦礦電池—實現高效率與厚膜的兼容
【引言】
有機-無機雜化鈣鈦礦由于其優異的光電特性，成本低廉，制備工藝簡單，能帶連續可調等一系列優勢，受到了研究者的廣泛關注。尤其在太陽能電池領域，有機—無機雜化鈣鈦礦電池的光電轉換效率已經達到22.7%，與商業化的晶硅太陽能電池相當。提高鈣鈦礦活性層薄膜的厚度，并減小活性層厚度變化對器件性能的影響，是今后雜化鈣鈦礦太陽電池工業化的迫切需求。然而，隨著鈣鈦礦薄膜厚度的增加，其形貌控制愈加困難，進而影響到載流子擴散與電荷的有效提取，并導致嚴重的非輻射復合與能量損失，因此在膜厚不敏感的高性能鈣鈦礦電池的制備方面一直未有突破性的進展。盡管采用引入添加劑、溶劑工程、界面工程、熱旋涂等方法可以改善鈣鈦礦薄膜形貌，鈣鈦礦層超過600nm厚度的高效率太陽能電池已有相關報道，然而當膜厚接近1000nm時，如何避免膜厚增加而導致的光電轉化效率的下降，仍然是一個挑戰。
【成果簡介】
近日，浙江大學陳紅征教授、李昌治研究員和吳剛副教授（共同通訊作者），博士生陳杰煥（第一作者）等人采用70℃熱旋涂工藝制備超過700nm厚的鈣鈦礦薄膜，組裝結構為ITO/NiOx/MAPbI3/PCBM/BCP/Ag的電池效率達到19.54%，為當前已知以金屬氧化物作空穴傳輸層的鈣鈦礦電池的最高效率，器件穩定性也得到明顯改善。此外，當鈣鈦礦層厚度由700nm增加至1150nm時，仍能保持19%的效率，進一步增加至1600nm，電池效率超過17%，為當前已報道的最厚鈣鈦礦膜層太陽能電池。相關成果以題為“High-Performance Thickness Insensitive Perovskite Solar Cells with Enhanced Moisture Stability”發表在Adv. Energy Mater.上。
【圖文導讀】
圖一 鈣鈦礦電池器件結構及性能曲線
(a) 鈣鈦礦電池器件結構；
(b) 鈣鈦礦電池的能級示意圖；
(c) (d) 鈣鈦礦電池的J-V性能曲線，EQE光譜（1.2M前驅體溶液，不同旋涂溫度制備的鈣鈦礦薄膜）。
圖二 鈣鈦礦薄膜表征
(a) (b) 不同旋涂溫度（25℃、70℃）制備的鈣鈦礦薄膜截面SEM；
(c) 鈣鈦礦薄膜XRD；
(d) 鈣鈦礦薄膜吸收和PL光譜。
圖三 鈣鈦礦電池的載流子動力學研究
(a) 暗態下鈣鈦礦電池的J-V特征曲線；
(b) (c) 不同光強下測試得到鈣鈦礦電池的Jsc和Voc；
(d) ITO/NiOx/MAPbI3/PTAA/MoO3/Ag器件的J-V特征曲線，以此估計空穴遷移率和缺陷密度。
圖四 不同濃度前驅體70℃熱旋涂制備的鈣鈦礦薄膜的截面SEM
圖五 不同鈣鈦礦層厚度的鈣鈦礦電池性能表征
(a) 鈣鈦礦電池的J-V性能曲線；
(b) 鈣鈦礦電池的EQE光譜；
(c) 鈣鈦礦電池的模擬EQE光譜；
(d) 鈣鈦礦電池的IQE光譜。
圖六 不同鈣鈦礦層厚度的鈣鈦礦電池性能參數分布
圖七 鈣鈦礦薄膜及電池的穩定性研究
(a) (b) 不同旋涂溫度（70℃、25℃）制備鈣鈦礦薄膜，放置不同天數后的XRD；
(c) 鈣鈦礦薄膜XRD中PbI2含量隨時間的變化；
(d) 鈣鈦礦電池的穩定性測試（電池未封裝，保存在濕度50%的氮氣手套箱中）。
【小結】
該研究提出了一種簡單的一步熱旋涂工藝制備厚鈣鈦礦層太陽能電池，當吸光層厚度超過1000nm時，器件效率仍能超過19%。通過光學模擬，研究人員發現厚膜中平均電子傳輸距離變長，而空穴到達陽極的平均距離幾乎相同，由于載流子遷移率高，陷阱態少，因而熱旋涂制備的鈣鈦礦薄膜具有很好的耐厚度。這種簡單的一步旋涂工藝在生產鈣鈦礦電池器件方面有很大的潛力，推進了鈣鈦礦的產業化進程。
文獻鏈接：High-Performance Thickness Insensitive Perovskite Solar Cells with Enhanced Moisture Stability（Adv. Energy Mater.2018,DOI:10.1002/aenm.201800438）
【團隊介紹】
浙江大學陳紅征教授主持的有機半導體研究團隊是我國最早從事有機高分子半導體材料與光電功能器件研究與開發的課題組之一，由浙江大學前校長楊士林教授和汪茫教授于1986年創建，長期堅持活躍的創新思想和寬松的學術氛圍，形成了以有機復合半導體為主要研究方向、以平面大環共軛有機高分子的設計與合成為基礎、以復合技術與納米技術相結合為手段、以先進光電功能材料的設計與制備為中心、以研究材料微納結構-電荷轉移-光電功能的關系為主題、以開發新型光電功能器件為目標的鮮明特色，研究方向涵蓋有機、有機-無機雜化以及單晶復合光電功能材料。先后主持國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金重大項目課題/重點/重大（重點）國際合作/優青、973項目課題和863重點項目等國家和省部級項目30多項；在Adv. Mater., Chem. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater. 等本領域著名學術刊物發表SCI收錄論文300多篇，SCI論文他引超過8000多次。
【團隊優質文獻推薦】
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