香港大學AFM綜述：溶液處理的金屬氧化物納米晶作為有機和鈣鈦礦太陽能電池的載體傳輸層

【前言】

隨著全球能源需求和全球環境問題的增加，迫切需要探索高效、可再生能源。太陽能是最有希望的候選能源之一，具有清潔、可再生、豐富和可持續的特性。迄今為止，科研人員已經開發了各種光伏技術來獲取太陽能和高效發電。其中，溶液處理有機太陽能電池(OSCs)和鈣鈦礦太陽能電池(PVSCs)因其通過卷到卷技術放大生產的潛力而受到特別關注。由于新型給體/受體材料的發展、器件結構的創新、形貌的探索和界面工程，基于光活性聚合物和小分子的OSCs在過去幾十年中取得了重大突破和快速發展。迄今為止，基于富勒烯的OSC和基于非富勒烯的OSC的功率轉換效率(PCE)分別達到了11.7 %和14 %。PVSCs是太陽能電池家族中一個高效的新成員，具有寬帶光吸收(可見光和近紅外范圍內的高消光系數)、低激子結合能(約2 MeV )以及長擴散長度和載流子壽命的優勢。在過去幾年中，總PCE從2009年首次報道的3.8 %快速增長到創紀錄的22.7 %，這使其成為下一代光伏技術的主要候選。

【成果簡介】

溶液處理有機太陽能電池(OSCs)和鈣鈦礦太陽能電池(PVSCs)向低成本、高通量光伏技術發展迅速。載流子(電子和空穴)傳輸層(CTLs)在提高其效率和長期穩定性方面發揮著關鍵作用。溶液處理金屬氧化物納米晶體(SMONCs)作為一種有希望的CTL候選物，具有穩定的工藝條件、低成本、可調諧的光電特性和內在穩定性，為實現經濟高效、高性能、大面積和機械柔性的光伏器件提供了獨特的優勢。近日，來自香港大學的Wallace C. H. Choy教授（通訊作者）在Advanced Functional Materials上發表綜述文章，題為“Solution‐Processed Metal Oxide Nanocrystals as Carrier Transport Layers in Organic and Perovskite Solar Cells”。本文綜述了近年來基于SMOMNC的OSCs和PVSCs的研究進展。本文首先討論了SMONCs的合成方法。然后，綜述了基于SMOMNC的各種CTLs，包括空穴傳輸層和電子傳輸層，其中重點是提高效率和器件穩定性。最后，為了更好地理解基于SMNC的CTLs面臨的挑戰和機遇，作者概述了幾種策略和觀點。

【圖文導讀】

圖1. 多層器件結構

a) OSCs，b) PVSCs.

圖2. 不同類型的載流子傳輸層

圖3.金屬氧化物納米晶的合成

共沉淀方法中的四個過程:成核、生長、聚集和Ostwald熟化。

圖4. 金屬氧化物納米晶合成

圖5. 水熱和溶劑熱法

圖6. 其他合成方法

a) 微波輔助化學方法的電磁波譜圖。b )聲空化過程的示意圖。

圖7.基于金屬氧化物納米晶體的溶液處理OSCs載體傳輸層

OSCs中幾種典型氧化物載體傳輸材料的能級示意圖

圖8. 基于金屬氧化物納米晶體的溶液處理PVSCs載體傳輸層

PVSCs中幾種典型氧化物載體傳輸材料的示意性能級圖

圖9. NiO_x‐基PVSCs性能

a) J?V曲線。b ) NiO_x基柔性PVSC的歸一化PCE與彎曲周期的關系，以及NiO_x基柔性PVSC的照片(插圖)。c )分別放置不同天數的基于NiO_x的封裝器件和未封裝器件的PCE變化。

圖10. 3D GO : NiO_x納米復合器件

a )室溫制備乙醇處理的自組裝準3D GO : NiO_x納米復合材料的示意圖。b )空氣暴露時間與歸一化器件特性的關系。c )以GO和L-GO : NiO_x為HTL的倒置OSCs的J - V特性。

圖11. 溶液處理OSCs和PVSCs的電子傳輸/選擇性層

a ) Au NP‐TiO₂復合材料的TEM圖像和橫截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。b )具有TiO₂和NP‐TiO₂復合材料的倒置OSCs的J - V特性。c )等離子體激元誘導電荷注入過程示意圖。d ) PBDTTT‐C‐T和PC71BM的化學結構(左)。器件結構示意圖: NP器件(頂部)、光柵器件(底部)和雙金屬結構器件(右側)

圖12. SnO₂作為ETL，在基于PBDTT - DPP : PC60BM的倒置OSCs中實現了5 %的PCE。

a )反應機理和合成工藝的示意圖。b )使用納米SnO₂作為電子傳輸層的PBDTT - DPP : PCBM太陽能電池的器件結構和相應的J - V特性。

圖13. NiMgLiO/MAPbI₃/PCBM/CeO_x性能

a ) CeO_x NC的TEM圖像、高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)圖像和選定區域電子衍射圖(插圖)，以及配體交換程序示意圖。b ) J - V曲線。c )未封裝的器件在充滿N₂的手套箱和充滿空氣的環境測試室中老化200小時，濕度控制在30 %左右，在室溫下保持連續光照和最大功率點跟蹤。d )用于改善器件穩定性的示意圖。

【總結】

在這篇文章中，作者綜述了溶液處理金屬氧化物納米晶體的合成方法，以及它們在OSCs和PVSCs中作為CTLs的性能。然而，科研人員需要做出更多的努力來促進它們在光伏器件中的應用。

1)制備具有良好設計的尺寸和形貌的金屬氧化物納米材料是在各種應用中的重要挑戰，尤其是在光伏應用中。當材料尺寸減小到納米級時，它們表現出獨特的性能，這與它們的塊體對應材料不同。這種特性使得納米材料對獨特的應用具有吸引力，同時也使其合成變得復雜。盡管各種技術已經被應用于金屬氧化物納米晶體的合成，但它仍然需要根據其應用開發新的合成方法。此外，為了控制MONCs的尺寸和形貌，需要更好地理解新合成方法的形成機理和反應條件的控制。

2)用于穩定金屬氧化物納米晶體的表面配體需要滿足溶液加工性和電荷傳輸方面的需求。具有長烴鏈的配體是絕緣的，例如乙二醇，這限制了它們作為CTLs的應用。因此，科研人員已經提出了許多配體交換策略，包括與較小分子的配體交換、可熱降解配體或金屬硫族化合物絡合物，以解決這個問題。在配體交換策略上的更多的努力有助于在CTL應用中實現氧化物納米晶體。因此，科研人員仍然迫切需要開發有效的方法來同時改善金屬氧化物納米晶體在溶液中的加工性能和相應薄膜的電荷傳輸。

3)良好的CTLs需要良好的成膜性能，以確保盡可能均勻的覆蓋。此外，位于活性層頂部的CTLs報道有限。因為它是與濕度和氧氣接觸的層，也是與活性層接觸的層，所以它對化學降解的抵抗力以及保證穩定的電子界面是必要的。復合材料/復合層可以被認為是應對這一問題的有效策略，沿著這些思路的進一步研究將有助于提高效率和穩定性。

總的來說，作者認為基于氧化物的CTLs對OSCs和PVSCs都非常有利，主要是因為它們具有極高的穩定性、良好的電性能和潛在的透明性。對大量新型氧化物基CTLs的不斷探索對其在新興光電器件中的實際應用非常重要，這些新型CTLs可以保證高效率、高穩定性、低成本和大面積良好的成膜性能。

文獻鏈接：Solution‐Processed Metal Oxide Nanocrystals as Carrier Transport Layers in Organic and Perovskite Solar Cells, (Advanced Functional Materials, 2018, DOI: 10.1002/adfm.201804660)

本文由材料人編輯部電子電工組Z,Chen供稿，材料牛整理編輯。

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。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu