ACS Nano: 聚合物織構結構助力倒置高效鈣鈦礦太陽能電池

引言

以鈣鈦礦材料為光吸收層的太陽能電池頻頻刷新世界紀錄，目前已高達25.2%。隨著研究的不斷深入，器件傳輸和復合的研究已經獲得極佳的控制。然而，據報道，聚合物基倒置器件效率往往低于氧化物基正置器件。這一普遍現象給研究者們提出了新的研究課題。探尋聚合物基倒置器件能量損耗源頭，將對此類工藝簡便，無遲滯的倒置結構器件推向新的研究熱潮。

電荷輸運、能帶調控和晶粒質量的不斷完善，以至于鈣鈦礦太陽能電池內量子效率 (IQE) 已經趨于100%，意味著由光子激發產生載流子以及載流子的傳輸等過程已經不再是鈣鈦礦太陽能電池的限制因素。然而最高效率距Shockley–Queisser效率極限有較大差距，尤其是聚合物基倒置結構鈣鈦礦太陽能電池。這表明有相當部分光并沒有進入鈣鈦礦活性層而被損耗。據報道，聚合物基器件內量子效率 (EQE) 比IQE相差為10%~15%，也即是說，有10%~15%的能量以光子的形式損耗。解決光損耗問題，器件效率將得到進一步提升。

研究進展

近日，西南大學宋群梁教授(通訊作者)創新團隊在ACS Nano 上在線發表了一篇題為“Coordinated Optical Matching of a Texture Interface Made from Demixing Blended Polymers for High Performance Inverted Perovskite Solar Cells”的文章，該研究采用簡單的溶洗混合聚合物薄膜工藝獲取了可控的聚合物 (PTAA) 織構膜，并成功將其應用在ITO/PTAA/Perovskite/PCBM/BCP/Ag結構鈣鈦礦太陽能電池中，同時利用減反涂層技術，電池效率達到21.6%。

圖文簡介

圖1不同結構器件模型與光學損失分析

圖2 織構界面制備工藝流程及對應SEM截面圖

圖3 平面和織構結構器件SEM圖對比和光學表征

圖4?器件輸出特性和EQE表征

圖5?PTAA織構形貌控制SEM圖以及AFM切線表征

圖6?不同織構器件性能表征

圖7?器件性能統計

小結

該研究從提出了光學失配是聚合物基倒置鈣鈦礦太陽能電池效率相對較低的根源，并提出內部織構界面協調光學匹配。文章中采用簡單的涂布溶洗工藝制備了可控的織構界面，在器件界面分布均勻。光學測試結果與EQE的提升一一對應，有效降低器件光損耗。電學和光致發光測試結果 (包括瞬態光電流和瞬態光電壓，穩態和瞬態光致發光等)表明，器件傳輸與復合變化微弱。進一步證實，器件效率由18.3%提升到21.6%的主要原因是改善了光學匹配。該結果將對聚合物基鈣鈦礦太陽能電池效率的進一步提升提供光學匹配的理論指導和技術支持，該工藝在柔性器件的制備中具有巨大潛力。

文獻鏈接：

Coordinated Optical Matching of a Texture Interface Made from Demixing Blended Polymers for High Performance Inverted Perovskite Solar Cells，2019，ACS Nano， DOI: 10.1021/acsnano.9b07594.

本文由課題組供稿。

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