太陽能電池最新Science：具有效率為24.82%的穩定鈣鈦礦太陽能電池

CYM 3年前 (2020-09-25) 7110瀏覽

【引言】

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）性能的進一步改善和穩定對于實現下一代光伏產品的商業可行性至關重要。為了獲得更好、更便宜的替代能源，鈣鈦礦太陽能電池已經成為下一代太陽能電池的領跑者。通過改進鈣鈦礦材料配方、器件制造流程和高質量成膜方法，在實驗室規模的PSCs中，功率轉換效率（PCE）已經超過25%，這是基于一個比較完善的電子束流化技術的基礎上。大多數高性能PSCs都是由鈣鈦礦吸收劑組成的夾層結構，在金屬氧化物電子傳輸材料（ETM）和有機空穴傳輸材料（HTM）之間。由于可以從各種處理方法中獲得高質量的鈣鈦礦和ETM，因此HTM被認為對進一步提高PSC性能至關重要。固態染料敏化太陽能電池發現已經超過二十年，由于其非晶態性質、與摻雜劑的高相容性以及與鈣鈦礦相匹配的能級，仍然被認為是PSC中最有效的HTM。但是，必須使用吸濕性摻雜劑對其進行化學摻雜，以實現有效的空穴提取和足夠的電導率。盡管PCE已經足夠用于實際應用，但這種摻雜會對環境PSC的穩定性，從而產生負面影響，對PSC的真正商業化構成了一個主要障礙。因此，PSC正在積極研究候選的HTM，以取代Spiro OMeTAD，最終實現穩定的PSC，同時表現出相同或改進的性能。值得注意的是，銫離子（Cs⁺）、碳電極和基于無摻雜的PSC的最新研究可以在提高器件穩定性方面帶來好處，但與基于SpiroO?MeTAD的PSC相比，PCE水平更低。

近日，韓國蔚山國立科技大學（UNIST）Changduk Yang教授，韓國能源研究所Dong Suk Kim教授和?韓國蔚山國家科技研究所Sang Kyu Kwak教授（共同通訊作者）考慮到氟化能使共軛材料具有能級，疏水性和非共價相互作用的優點，因此開發了Spiro OMeTAD的兩個含氟異構體類似物（Spiro-mF和Spiro-oF）作為制備PSC的HTM，并將它們與優化后的Spiro-OMeTAD基PSC的器件性能進行了比較。通過實驗，原子分析和理論分析研究了由結構異構引起的結構-性質關系，不僅報告了用Spiro-mF制造的器件實現了24.82%的高效率（認證的PCE為24.64%，損耗為0.3v），而且還展示了在高相對濕度（RH）下長期穩定性（500小時后效率保持87％）。此外，在大面積電池中，也實現了22.31%的效率。相關研究成果以“Stable perovskite solar cells with efficiency?exceeding 24.8% and 0.3-V voltage loss?”為題于2020年9月25日發表在Science上。

【圖文導讀】

圖一、HTM的光學和電化學特性以及DFT計算