南方科技大學Adv. Mater.：效率超16%的大面積鈣鈦礦電池-金屬乙酰丙酮化合物用于界面改性提高穩定性

【引言】

在近幾年內，有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池有一個飛速的發展，其小面積電池效率已經能夠超過22%，與已經發展了40多年的銅銦鎵硒薄膜電池和碲化鎘薄膜電池的效率值不相上下，并也是最有可能取代單晶硅太陽能電池的光伏電池之一。然而因其組成和結構的特點，鈣鈦礦太陽能電池具有極不穩定性，例如在極性溶劑中溶解與分解，不同溫度下發生相變，光照和自發電場誘發電子遷移。目前，業界解決鈣鈦礦太陽能電池不穩定性的辦法主要有兩條：一是對鈣鈦礦材料組成和結構進行調控；二是進行鈣鈦礦的界面工程。

【成果簡介】

近日，南方科技大學副教授何祝兵(通訊作者)在Advanced Materials上發表了一篇題為“Metal Acetylacetonate Series in Interface Engineering for Full Low-Temperature-Processed, High-Performance, and Stable Planar Perovskite Solar Cells with Conversion Efficiency over 16% on 1 cm² Scale”的文章。該課題組通過簡單溶液法，在銀電極和空穴傳輸層之間引入高穩定性金屬乙酰丙酮化合物，由此有效增強電子提取能力。經過一些列的表征手段，研究團隊證實金屬乙酰丙酮化合物具有較好的界面能帶彎曲和金屬表面功函數調節功能，促進了電子的高效轉移。所制成的電池效率由12%提升至18%，小面積最佳性能電池效率達到了18.69%，且無明顯的滯后現象。同時，用該方法制備的大面積電池效率也達到了16.01%。

【圖文導讀】

圖1.所制平板鈣鈦礦太陽能電池結構和形貌表征

(A)ITO/NiO_x/MAPbI₃/PCBM/MAcac/Ag電池結構示意圖

(B)金屬乙酰丙酮CILs分子結構

(C)反式結構鈣鈦礦太陽能電池能帶圖

(D)NiO_xNCs高分辨二維AFM圖

(E) MAPbI₃薄膜表面SEM圖，比例尺500 nm

(F)反式結構鈣鈦礦太陽能電池橫截面SEM圖，比例尺500 nm

圖2.具有和不具有金屬乙酰丙酮化物界面層電池蒸鍍銀表面的電勢特性

(A-D)分別為Ag, TiAcac/Ag, ZrAcac/Ag和HfAcac/Ag的SKPM測試結果圖

(E)蒸鍍銀表面電勢圖

(F)蒸鍍銀表面UPS圖

(G)鈣鈦礦薄膜的室溫光致發光衰減曲線

圖3.具有不同金屬乙酰丙酮的反式平板鈣鈦礦太陽能電池的J-V特性和滯后行為

(A)不同電池的J-V曲線

(B)不同電池的EQE譜

(C-E)分別為PCBM/TiAcac/Ag, PCBM/ZrAcac/Ag和PCBM/HfAcac/Ag電池的正反掃J-V曲線

(F)最大功率點處電池的穩態光電流輸出

圖4.大尺寸電池性能

(A)最佳大尺寸電池的正反掃J-V曲線

(B)最佳大尺寸電池的EQE圖

圖5. ZrAcac CILs反式平板鈣鈦礦太陽能電池的穩定性

(A)在惰性環境中超過1000 h光照期間，最佳性能電池的標準化J_sc和V_oc

(B)在惰性環境中超過1000 h光照期間，最佳性能電池的標準化FF和PCE

(C)暴露在濕潤環境之前/之后，不同電池的標準化PCE

(D)暴露在濕潤環境之前/之后，不同電池鈣鈦礦層的XRD圖

【小結】

本文報道了一項利用金屬乙酰丙酮化合物對鈣鈦礦太陽能電池進行界面工程改性的工作，該工作不僅顯著增強了鈣鈦礦太陽能電池自身的穩定性，而且極大擴展了鈣鈦礦電池的工藝窗口，對鈣鈦礦電池的大面積工業生產具有至關重要的影響。

文獻鏈接：Metal Acetylacetonate Series in Interface Engineering for Full Low-Temperature-Processed, High-Performance, and Stable Planar Perovskite Solar Cells with Conversion Efficiency over 16% on 1 cm² Scale(Advanced Materials, 2017, DOI: 10.1002/adma.201603923)

本文由材料人新能源組 Jon 供稿，材料牛編輯整理。

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