武漢理工程一兵團隊Nature Communications：鉀離子鈍化SnO2/鈣鈦礦界面—印刷無遲滯高效柔性鈣鈦礦太陽能電池組件

【引言】

鈣鈦礦太陽能電池（PSC）目前效率超過23%，高于多晶硅，加上其可低成本可印刷，極具產業化前景，特別是柔性太陽能電池。二氧化錫（SnO₂）作為鈣鈦礦電池的電子傳輸層材料被廣泛研究，相較于二氧化鈦（TiO₂）其具有優異的載流子遷移率、合適的能級，并且可低溫制備，在柔性器件上具有巨大的應用潛力。然而，大多數報道以SnO₂作為電子傳輸層的電池器件普遍存在遲滯問題。只有在采用商業Alfa-SnO₂納米顆粒作為電子傳輸層時，電池器件沒有遲滯現象，其內在原因仍然未知。此外，在粗糙、柔軟、疏水的塑料襯底上實現大面積均勻印刷電子傳輸層仍然面臨很大的挑戰。如何制備高效穩定，高抗彎曲性能的柔性鈣鈦礦太陽能電池組件仍是一個巨大難題。

【成果簡介】

近日，武漢理工大學程一兵院士團隊的黃福志研究員和鐘杰副研究員（共同通訊作者）發展了基于狹縫擠出印刷的SnO₂薄膜的高效無遲滯大面積柔性鈣鈦礦太陽能電池組件。研究發現，采用鉀離子界面鈍化方法可以普遍抑制氧化錫層引起的固有滯后現象。同時，實驗揭示商業Alfa-SnO₂消除遲滯現象的原因也是由于溶液含氫氧化鉀穩定劑。此外，研究者還采用多種方法合成制備SnO₂薄膜，并采用不同含鉀化合物鈍化，結果表明，是鉀離子，而不是其配對陰離子，促進鈣鈦礦顆粒的生長，鈍化界面，從而提高器件效率和穩定性。更重要的是，鉀離子的存在可以有效消除各類氧化錫基鈣鈦礦太陽能電池器件遲滯問題，成為一個具有普適性的鈍化策略。通過該方法制備小尺寸的剛性PSC效率高達20.5%，柔性PSC效率高達17.2%，大尺寸（5?×?6?cm²）柔性PSC組件的效率超過了15%。相關成果以題為“Universal passivation strategy to slot-die printed?SnO₂?for hysteresis free efficient flexible perovskite?solar module”發表在Nature?Communications上。武漢理工大學—澳大利亞Monash大學聯合培養博士生卜童樂為論文第一作者。

【圖文簡介】

圖一 印刷制備SnO₂基柔性鈣鈦礦電池組件

圖二 探索Alfa-SnO₂基電池器件無遲滯的原因

圖三 鉀離子鈍化界面實現高效無遲滯電池器件

圖四 鉀離子的普遍鈍化機理

圖五 電池器件的物理表征

【小結】

在該研究中，作者證明了采用鉀離子鈍化不同方法制備的SnO₂都能消除鈣鈦礦電池器件的遲滯現象，同時提高器件光電轉化效率和穩定性，實現大面積高效柔性鈣鈦礦電池組件超過15%，為世界最高效率。同時還揭示了商用Alfa-SnO₂膠體水溶液中的穩定劑KOH是導致該氧化錫基底電池器件無遲滯的原因。此外，作者還通過制備無熱處理的鈣鈦礦器件證明了鉀離子沒有摻雜進入鈣鈦礦晶體結構中。結果表明鉀離子促進了鈣鈦礦的成核結晶生長過程，提高了薄膜晶體質量，鈍化了缺陷，消除器件遲滯，這一結果與其陰離子無關。該工作細致的研究了SnO₂的遲滯問題，并給出了相應的解釋和解決辦法，為實現高效穩定無遲滯的柔性大面積鈣鈦礦太陽能電池組件開辟了新的途徑。

文獻鏈接：Universal passivation strategy to slot-die printed SnO₂?for hysteresis-free efficient flexible perovskite solar module（Nat. Commun., 2018,?9: 4609.?https://doi.org/10.1038/s41467-018-07099-9）

【團隊介紹】

程一兵：澳大利亞Monash大學材料科學與工程系客座教授，澳大利亞工程院院士， 現為武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室教授。程一兵教授多年來主要從事無機非金屬材料的制備技術及機理研究、染料敏化太陽能電池、新型有機－無機雜化薄膜太陽能電池等。已發表研究論文400余篇, 2016年在《Nature》雜志發表《Print?Flexible Solar Cells》的評論文章。目前，程一兵教授在武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室建立了印刷光電子實驗室，著重研究印刷制備新型高效薄膜太陽能電池和薄膜光電器件。

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黃福志：武漢理工大學研究員。北京大學化學與分子工程學院分別獲得學士學位和碩士學位（2002），墨爾本大學獲得材料科學專業博士（2009），2009-2015年在Monash大學任Research Fellow。在Monash大學工作期間主要研究染料敏化太陽能電池和鈣鈦礦薄膜太陽能電池。2014年開發了制備高效鈣鈦礦電池的通用方法，效率達到17%以上，達到當時世界領先水平。2015年起任武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室研究員。在相關領域發表SCI論文100余篇，包括以通訊作者發表在能源領域頂級期刊的Nat. Commun.、Energy & Environ. Sci、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、?Nano?Energy等。

鐘杰：中南大學材料科學與工程學士，博士(2011.12)，澳大利亞蒙納什大學聯合培養博士生及研究助理(2008.9-2012.9)，武漢光電國家實驗室博士后、講師(2012.9-2015.3)。目前為武漢理工大學復合材料國家重點實驗室副研究員。研究方向為多元無機薄膜太陽能電池及鈣鈦礦太陽能電池。首次合成水基銅鋅錫硫硒（CZTS）納米墨水，取得8.5%電池效率，為良性化印刷制備廉價環保的CZTS薄膜太陽能電池提供了有效途徑，目前主要研究方向為鈣鈦礦電池及其組件的研發。在相關領域發表SCI論文50余篇，包括以通訊作者發表在能源領域頂級期刊的Nat. Commun.、Energy & Environ. Sci、Adv. Energy Mater.、Nano?Energy、Chem. Mater.等。

本文由武漢理工大學程一兵團隊供稿，材料人編輯。

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