Adv. Mater.華中科技大學陳煒教授：高效、高穩定全無機界面鈣鈦礦太陽能電池

【引言】

12月16日，《先進材料》(Advanced Materials)在線發表了華中科技大學、武漢光電國家實驗室（籌）陳煒教授（通訊作者）課題組在鈣鈦礦太陽能電池領域的一項研究成果“CuGaO2: A Promising Inorganic Hole-Transporting Material for Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells．”

有機-無機雜化鈣鈦礦材料因為具有可調的帶隙、較高的消光系數、較低的激子束縛能和雙極性電荷傳輸等優點受到廣大科研工作者的關注。僅僅短短的五六年時間，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率就達到了22.1%，但是器件的穩定性問題一直是該領域關注的焦點，也是當前制約其應用的主要瓶頸。除了鈣鈦礦自身需要改進穩定性以外，一些由界面電荷傳輸材料引起的穩定性問題也不可忽視。例如，鈣鈦礦電池發展至今最常用的一種有機空穴傳輸材料，Spiro-OMeTAD為增強其導電性需要摻雜多種對水氧敏感的離子添加劑（Li鹽、Co鹽等），這會加快鈣鈦礦電池器件的衰變速度，從而導致器件穩定性的問題被顯著放大。

【成果簡介】

采用穩定廉價的無機空穴傳輸材料取代Spiro-OMeTAD引起了科學家們廣泛的研究興趣。武漢光電國家實驗室（籌）的陳煒教授課題組長期致力于研究無機納米半導體材料，能夠將銅鐵礦晶體結構的p型半導體CuGaO₂制備成特定的納米片形貌（~50nm寬, ~10nm厚），近期將該材料應用于鈣鈦礦太陽能電池，取得了很好的效果。與Spiro-OMeTAD相比，CuGaO₂作為空穴傳輸材料具有以下明顯優勢：（1）其由納米墨水涂布的薄膜導電性能優于Spiro-OMeTAD，從而導致器件的遲滯效應更小；（2）光生電荷更優的界面傳輸和更少的內部復合導致更高的電池效率，優化后達到18.51%，是全無機界面鈣鈦礦太陽能電池有報道的最高效率之一；（3）更高水氧穩定性導致器件的穩定性顯著升高，在室內環境中存放30天仍保持了初始值90%以上的效率；（4）CuGaO₂納米片可以很好的分散在異丙醇溶劑中，以低溫涂布的方式安全的沉積到鈣鈦礦薄膜表面，納米片作為二維材料具有良好的成膜性。除此以外，需要強調是本征的p型無機半導體材料可選擇性較少，CuI、CuSCN、Cu₂O與鈣鈦礦在一起使用時穩定性都不夠理想，NiO雖然足夠穩定，但通常導電性不佳。CuGaO₂作為Cu₂O的一種衍生材料此時具有獨特的優勢，從晶體結構的角度保證了兩者類似的導電性，同時通過Cu-O-Ga層狀晶格嵌套，還賦予了CuGaO₂較高的化學穩定性，可以耐受作為路易斯強酸的鈣鈦礦材料的化學腐蝕。該材料的應用成功，為今后鈣鈦礦太陽能電池發展提供了新的思路。

該工作得到了國家自然科學基金（51672094）和華中科技大學自主創新基金（2016JCTD111）的支持。國際知名太陽能電池專家，華盛頓大學的Alex K.-Y. Jen教授為論文的共同通訊作者。

【圖文解讀】

圖1：CuGaO₂的晶體結構及太陽能電池器件結構示意圖

a）CuGaO₂的晶體結構的示意圖。 b）基于CuGaO₂的規則鈣鈦礦太陽能電池的器件結構。 c）相對于真空水平的相應能帶圖。

圖2:CuGaO₂納米板的表征圖

a）用微波輔助水熱反應合成的CuGaO₂納米板的XRD圖。

b）所制備的CuGaO₂納米板的TEM圖像。

c）HRTEM圖像和選擇區域電子衍射（SAED）圖案（插圖）。

d）旋涂CuGaO₂膜的SEM圖像。

e-f）e) 基于MAPbI_3-xCl_x膜的CuGaO₂和螺-OMeTAD的穩態光致發光和 f)時間分辨PL衰變光譜。 插圖是更高放大率的圖像。

圖3：太陽能電池器件的橫截面及電流 - 電壓曲線

a）在這項工作中制備的太陽能電池器件的橫截面。

b）基于CuGaO₂的最佳性能器件和控制器件電流 - 電壓曲線，使用具有0.09cm²的開口面積的金屬罩，以0.07Vs^-1的掃描速率的反向掃描模式。

c）優化的基于CuGaO₂的器件和控制器件的V_OC對于不同光強度的依賴性。

d）優化的CuGaO₂基器件和控制器件在黑暗條件下的電流 - 電壓曲線。

e）優化的基于CuGaO₂的裝置和控制裝置的最大功率點處的穩態功率輸出。

f）通過基于CuGaO₂和螺-OMeTAD HTL的50個器件的統計來評估PCE的標準偏差以評估再現性。

圖4：歸一化裝置性能參數的演變

在30％-55％濕度，T = 25℃的環境下測量的優化的基于CuGaO₂的裝置和控制裝置的歸一化裝置性能參數的演變。

a）歸一化PCE。 b）標準化VOC。 c）歸一化JSC。 d）歸一化FF。

【總結】

CuGaO₂作為Cu₂O的一種衍生材料此時具有獨特的優勢，從晶體結構的角度保證了兩者類似的導電性，同時通過Cu-O-Ga層狀晶格嵌套，還賦予了CuGaO₂較高的化學穩定性，可以耐受作為路易斯強酸的鈣鈦礦材料的化學腐蝕。該材料的應用成功，為今后鈣鈦礦太陽能電池發展提供了新的思路。

文獻鏈接：CuGaO2: A Promising Inorganic Hole-Transporting Material for Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells (Adv. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adma.201604984)

本文由材料人新能源組 背逆時光 供稿，材料牛編輯整理。

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