Nano Lett. 華中科技大學：聚合物電極用作彩色鈣鈦礦太陽能電池的光譜選擇性抗反射涂層

【引言】

有機金屬鹵化鈣鈦礦具有直接帶隙，吸收系數大，激子結合能低，載流子擴散長度大，電荷載流子遷移率高等優異的光電特性，并且制備簡單，在諸如太陽能電池、LED、激光器件、光探測器和鐵電器件等半導體器件中都有廣泛地應用。尤其是有機金屬鹵化鈣鈦礦太陽能電池，其能量轉換效率最高達22.1%，超過了多晶硅太陽能電池效率。伴隨著太陽能電池技術的日益成熟，太陽能電池在一些領域（如可穿戴電子設備）的應用使得它們需要具有一定的審美特性。然而，為了最大化整個可見光域內的光學吸收獲得高的能量轉換效率，目前太陽能電池在外觀上都選擇做成黑色，但這也極大地降低了太陽能電池在審美層面上的吸引力。因此，開發一種符合審美要求的高效彩色鈣鈦礦太陽能電池是非常重要的。

【成果簡介】

近日，華中科技大學武漢光電國家實驗室周印華教授（通訊作者）研究團隊在Nano Letters上發表一篇題為“Efficient Colorful Perovskite Solar Cells Using a Top Polymer Electrode Simultaneously as Spectrally Selective Antireflection Coating”的文章。該研究團隊以PEDOT:PSS聚合物為反射電極，制成結構為FTO/c-TiO₂/m-TiO₂/鈣鈦礦層/HTL/PEDOT:PSS的鈣鈦礦太陽能電池。團隊研究人員分別通過旋涂和轉印技術制備PEDOT:PSS抗反射電極層，并采用調整控制旋涂參數以及改變轉印過程中沉積層數的方法來控制PEDOT:PSS層的厚度。經過調節PEDOT:PSS層厚度和選擇不同HTL層，團隊研究人員獲得了具有寬色域的彩色鈣鈦礦太陽能電池，不同顏色電池效率能達到11%至15%，放置在惰性氣氛中30天后電池PCE仍能有初始效率的90%。

【圖文導讀】

圖1.簡單高效彩色鈣鈦礦太陽能電池

(a)電池結構示意圖，其中頂端電極是由轉印技術制成的PEDOT:PSS導電聚合物

(b)彩色鈣鈦礦太陽能電池照片，照片中多片尺寸為5×5 mm²的彩色鈣鈦礦太陽能電池組裝成彩色字母“H”

圖2.折射率(n)和消光系數(k)譜及電池反射率譜

(a)鈣鈦礦膜的折射率和消光系數譜

(b)PEDOT:PSS膜的折射率和消光系數譜

(c)摻雜Spiro-OMeTAD膜的折射率和消光系數譜

(d)摻雜P3HT膜的折射率和消光系數譜

(e f)空穴傳輸層分別為摻雜Spiro-OMeTAD和摻雜P3HT時電池反射率與PEDOT:PSS電極厚度之間的函數關系譜圖，其中電池結構為FTO/c-TiO₂/m-TiO₂/鈣鈦礦層/HTL/PEDOT:PSS

圖3.電池照片及光學特性

(a)鈣鈦礦電池的照片，電池結構為FTO/c-TiO₂/m-TiO₂/鈣鈦礦層/HTL/PEDOT:PSS，HTL分別為摻雜Spiro-OMeTAD和摻雜P3HT，PEDOT:PSS厚度為40-160 nm或不同層數（1-4層）的PEDOT:PSS膜

(b)電池的實驗測量反射率和模擬測量反射率，HTL為Spiro-OMeTAD

(c)CIE 1931色彩空間中電池的顏色，HTL分別為Spiro-OMeTAD和P3HT

圖4.彩色鈣鈦礦太陽能電池性能

(a b)光照面分別為FTO面和PEDOT:PSS時彩色鈣鈦礦太陽能電池各自的J-V曲線，電池結構為FTO/c-TiO₂/m-TiO₂/鈣鈦礦層/Spiro-OMeTAD/PEDOT:PSS，PEDOT:PSS電極厚度為48 nm、95 nm和160 nm，插圖是95 nm厚PEDOT:PSS層彩色電池在最大功率點(V_mpp=0.88 V)處的穩態光電流和PCE

(c d)光照面分別為FTO面和PEDOT:PSS時彩色鈣鈦礦太陽能電池各自的EQE譜，PEDOT:PSS電極厚度為48 nm、95 nm和160 nm

【小結與展望】

用不同厚度的PEDOT:PSS聚合物導電膜取代傳統的金屬電極，再借以存在于PEDOT:PSS電極、HTL和鈣鈦礦層之間的反射和發射電磁場作用，使得制備形成的鈣鈦礦太陽能電池在外觀上表現出不同的顏色，同時電池PCE也能達到一個不錯的水平。像這種在大折射率膜和小折射率膜之間天然存在的干涉效應也可以應用于其它類型的薄膜太陽能電池，同時也能有力地推動彩色薄膜太陽能電池在多種領域的應用，如建筑用材、電動車和可穿戴電子設備等。

文獻鏈接：Efficient Colorful Perovskite Solar Cells Using a Top Polymer Electrode Simultaneously as Spectrally Selective Antireflection Coating(Nano Letters, 2016, DOI:10.1021/acs.nanolett.6b04019)

本文由材料人編輯部新能源學術組Jon供稿。

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