中國工程物理研究院吳義輝&張文華Advanced Materials：基于無機空穴傳輸材料的高穩定鈣鈦礦太陽能電池
【前言】
?近年來，基于有機-無機雜化鈣鈦礦材料的太陽能電池的研究獲得了學術界甚至工業界的普遍關注。鈣鈦礦太陽能電池的效率迅速提升至23.3％，完全能夠與傳統的薄膜電池和晶硅太陽能電池相媲美。盡管如此，穩定性不高仍然是限制鈣鈦礦太陽能電池真正走向應用的重要因素之一。目前，高效鈣鈦礦電池廣泛采用的有機空穴傳輸材料（HTM）（如spiro-OMeTAD、PTAA等）不僅成本高昂（價格約是黃金的數倍），而且是造成鈣鈦礦穩定性低的重要因素。因此，開發高穩定、且具有優異載流子輸運特性的空穴輸運材料尤為重要。
【成果簡介】
近日，中國工程物理研究院化工材料研究所吳義輝博士和張文華研究員在Advanced Materials上發表了一篇基于無機空穴傳輸材料的新型雙層反式介觀結構的鈣鈦礦太陽能電池文章：“Design of an Inorganic Mesoporous Hole-Transporting Layer for Highly Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Cells”。作者首先利用溶液法制備出形貌規整的CuGaO2納米晶材料，并將其設計為介觀結構；介孔的形成可以有效增加鈣鈦礦材料與空穴傳輸材料的接觸面積，縮短空穴傳輸距離，進一步減少載流子復合。為了避免鈣鈦礦層與FTO直接接觸，導致器件性能下降，作者還引入一層超薄NiOx作為致密層，構建了雙層反式介觀結構鈣鈦礦電池。同時，NiOx、CuGaO2和鈣鈦礦材料三者的價帶具有梯度變化的趨勢，形成了良好的能級匹配，非常有利于空穴的傳輸。基于此種結構的太陽能電池獲得了接近20%的穩態輸出效率，是目前基于（Cs/FA）體系鈣鈦礦材料的最高效率之一。更重要的是，由于采用了無機空穴傳輸材料，器件顯示出非常優異的熱穩定性，85 oC下連續退火1000小時后，器件仍然能夠保持初始效率的80% 以上，為進一步推動高穩定、高效率的鈣鈦礦電池的實用化發展提供了參考。
【圖文介紹】
圖一：CuGaO2的納米晶表征
圖1.?a）CuGaO2納米晶的X射線衍射圖；b）CuGaO2納米晶的透射電鏡圖和c）高分辨透射電鏡圖（插圖：相應的FFT圖式）；d）介孔（mp）CuGaO2薄膜表面掃描電鏡圖像。
圖二：雙層反式介觀結構鈣鈦礦電池性能評價
圖2. a）器件結構示意圖和最優器件的橫截面SEM圖像；b）展示光生空穴收集過程的能級圖；c）基于平面和mp CuGaO2?HTM的器件的J-V曲線；d）基于平面和mp CuGaO2?HTM的器件的IPCE曲線和相應的積分光電流；e）基于mp CuGaO2?HTM的器件的穩態輸出。
圖三：太陽能電池性能統計分布
圖3.?基于平面和mp CuGaO2?HTM的裝置的統計：a)?JSC，b)?VOC，c) FF和d）PCE。?
圖四：太陽能電池的環境和熱穩定性評價
圖4. 未密封平面和介觀結構器件的長期穩定性：在濕度為40-70％的條件下暗態儲存：a）JSC，b）VOC，c）FF，d）PCE；和e）兩種器件在氮氣氛中在85℃下的熱老化。
圖五：載流子傳輸性能表征
圖5. 基于平面和mp CuGaO2?HTM的器件的a）JSC和b）VOC與光強度的關系；c）基于不同HTM的鈣鈦礦薄膜的穩定PL光譜和d）TRPL衰變曲線。
【總結】
利用溶液法制備形貌規整的CuGaO2納米晶材料，并將其應用于鈣鈦礦太陽能電池中。通過設計雙層反式介觀空穴傳輸結構來提高倒置鈣鈦礦電池的效率和穩定性。介觀結構的形成和能級的良好匹配改善了載流子的轉移和收集性能、減少了載流子復合幾率。因此，基于此種介觀結構的器件獲得了接近20％的穩態輸出效率，明顯優于平面結構電池（16.72％）。此外，設計的反式介觀結構器件表現出優異的長期熱穩定性，85度下熱退火1000小時，器件效率衰減僅20%。該研究結果表明，開發無機空穴傳輸材料并合理設計器件結構是獲得高效、穩定鈣鈦礦電池的有效方法。
文章鏈接：Design of an Inorganic Mesoporous Hole-Transporting Layer for Highly Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Cells （Adv. Mater. 2018, 1805660; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201805660）
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