陜師大楊棟&劉生忠Nat. Commun.：EDTA-SnO2作為電子傳輸層刷新平面鈣鈦礦電池效率紀錄

【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，短短幾年內，鈣鈦礦電池光電轉換效率已經達到23.3%。相比介孔結構的鈣鈦礦電池，目前平面結構鈣鈦礦電池的效率依舊偏低，且器件存在明顯的遲滯。選擇與鈣鈦礦能級匹配且具有高電子遷移率的電子傳輸層材料至關重要。SnO₂相比于傳統TiO₂電子傳輸層材料，電子遷移率較高，能級與鈣鈦礦更匹配，可有效替代TiO₂作為鈣鈦礦電池的電子傳輸層。在該研究中，作者采用EDTA與SnO₂的絡合物作為平面鈣鈦礦電池的電子傳輸層，最終得到的器件光電轉換效率高達21.60%，且無明顯遲滯。

【成果簡介】

近日，陜西師范大學楊棟研究員、劉生忠教授和弗吉尼亞理工大學Shashank Priya教授（共同通訊作者）等人采用EDTA和SnO₂的絡合物（E-SnO₂）作為平面鈣鈦礦電池的電子傳輸層，器件光電轉換效率高達21.60%，美國Newport權威機構認證效率為21.52%，為目前已知平面鈣鈦礦電池效率之最。同時器件穩定性也有了極大改善。此外，因E-SnO₂可低溫制備的優勢，將其應用于柔性鈣鈦礦電池中，器件效率最高為18.28%。研究表明由于鈣鈦礦層與電子傳輸層界面處電荷積累的消除，鈣鈦礦電池器件均無明顯遲滯。相關成果以題為“High efficiency planar-type perovskite solar cells with negligible hysteresis using EDTA-complexed SnO₂”發表在Nat. Commun. 上。

【圖文導讀】

圖一 電子傳輸層表征

(a) EDTA、SnO₂及E-SnO₂薄膜的XPS；
(b) EDTA、SnO₂及E-SnO₂薄膜的FTIR光譜；
(c) EDTA、SnO₂及E-SnO₂薄膜的AFM；
(d) 不同電子傳輸層與鈣鈦礦的能帶結構示意圖；
(e) EDTA、SnO₂及E-SnO₂薄膜的可見光透射光譜；
(f) 由SCLC模型測試得到的不同電子傳輸層的電子遷移率。

圖二 不同基底上的鈣鈦礦薄膜形貌表征

(a) SnO₂/Perovskite；(b) EDTA/ Perovskite；(c) E-SnO₂/Perovskite；(d) 鈣鈦礦晶粒尺寸統計分布。

圖三 載流子傳輸研究

(a) ITO/ETL/FA_0.95Cs_0.05PbI₃/PCBM/Ag器件的暗態I-V特征曲線；
(b) 鈣鈦礦薄膜的穩態PL光譜；
(c) 鈣鈦礦薄膜的瞬態PL光譜。

圖四 鈣鈦礦電池器件性能表征

(a) 鈣鈦礦電池器件結構及J-V性能曲線；
(b) 鈣鈦礦電池的IPCE光譜；
(c) 鈣鈦礦電池的穩態電流密度及光電轉換效率測試；
(d) 鈣鈦礦電池的效率統計分布。

圖五 載流子傳輸動力學研究

(a) 鈣鈦礦電池的Voc衰減曲線；
(b, c) 不同光強下測試得到鈣鈦礦電池的Jsc和Voc；
(d) 鈣鈦礦電池的EIS圖譜。

圖六 鈣鈦礦電池的穩定性及遲滯測試

(a) 未封裝鈣鈦礦電池大氣環境下穩定性測試；
(b) 未封裝鈣鈦礦電池在100mW cm^-2光照下穩定性測試；
(c, d) 鈣鈦礦電池的正反測試的J-V性能曲線。

圖七 柔性鈣鈦礦電池器件性能表征

(a) 柔性鈣鈦礦電池的J-V性能曲線；
(b) 柔性鈣鈦礦電池在不同彎曲半徑下的光電轉換效率；
(c) 柔性鈣鈦礦電池的IPCE光譜；
(d) 柔性鈣鈦礦電池的效率統計分布。

【小結】

研究人員使用E-SnO₂作為平面鈣鈦礦電池的電子傳輸層，顯著改善了鈣鈦礦薄膜的晶粒尺寸和結晶性，使得器件光電轉換效率及穩定性都有了極大提高。此外，將E-SnO₂應用于柔性鈣鈦礦電池中，器件效率最高可達18.28%。研究表明E-SnO₂作為電子傳輸層，加快了電子的提取，有效抑制了界面處的電荷累積，進而避免了器件遲滯。該工作為研究制備高性能電子傳輸層提供了新的思路和方法，有力推動了鈣鈦礦光伏的發展。

文獻鏈接: High efficiency planar-type perovskite solar cells with negligible hysteresis using EDTA-complexed SnO2（Nat. Commun. 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-05760-x）

【團隊介紹】

劉生忠教授和楊棟研究員團隊是國內外較早從事鈣鈦礦光電器件研究的團隊之一。團隊研發了鈣鈦礦單晶生長新方法，成功制備了超大尺寸鈣鈦礦單晶，各方面指標均領先領域先進水平【Adv. Mater. 2015, 27, 5176-5183; Adv. Mater. 2016, 28, 9204-9209; Adv. Opt. Mater. 2016, 4, 1829-1837; Nat. Commun. 2017, 8, 16086; Adv. Sci. 2018, 5, 1700471; Adv. Mater. 2018, 1707314; Mater. Today, 2018, in press】。在平面鈣鈦礦電池和柔性鈣鈦礦電池方面，均先后幾次報道了領域最高效率 【Adv. Mater. 2016, 28, 5206-5213; Energy Environ. Sci. 2015, 8, 3208-3214; Energy Environ. Sci. 2016, 9, 3071-3078; Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701757.】。特別是采用獨特的界面修飾方法和雙源共蒸法，平面鈣鈦礦電池效率超過了20%；發展了優質的TiO2和Nb2O5電子傳輸層的低溫沉積工藝，制備的柔性鈣鈦礦電池效率達到18.40%。這些成果都達到了同類研究的國際先進水平。

本文由材料人編輯部新能源組嚕嚕編輯審核，點我加入材料人編輯部。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

材料人投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu 。