Nat. Commun. :穩定高效鈣鈦礦太陽能電池的離子和電荷載流子的分離工程

【引言】

雜化有機-無機鈣鈦礦材料因其對可見光的強吸收，能帶可控，電荷空穴的長分離路徑等出色的光伏特性而收到廣泛的關注。鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)因為具有低成本加工，原料豐富以及空前的高光電轉換效率（PCE）被認為是下一代最具有競爭力的光伏技術。目前能量轉換效率最高的鈣鈦礦太陽能電池效率達到22%，串聯的電池組效率超過25%。然而，鈣鈦礦材料的長期循環穩定性較差，成為阻礙其未來大規模應用的限制條件。

【成果簡介】

瑞士洛桑聯邦理工學院的Michael Gra ¨tzel，上海交通大學的楊旭東，韓立元（共同通訊作者）團隊在鈣鈦礦的光吸收層和電極層之間沉積了納米碳層，通過擴散工程法抑制了鈣鈦礦材料中的劣態離子、分子的擴散，促進了光激發電荷的分離。與傳統的提高擴散層厚度方法相比較，這一方法表現出三倍的抑制擴散的效率。該成果以"Diffusion engineering of ions and charge carriers for stable efficient perovskite solar cells"為題，發表在Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖1 利用納米碳層來抑制層間與層間的離子/分子擴散，加速電荷載流子擴散的二維異質結鈣鈦礦太陽能電池

（a）NiMgLiO/鈣鈦礦/N摻雜石墨烯富勒烯衍射物苯-C61正丁酸甲酯（G-PCBM）/碳量子點（CQDs）/銀器件的掃描電鏡層間交錯照片。

（b）納米碳電子轉移層的擴散過程示意圖。

（c）二維平面電池的能帶結構。

圖2 PSCs中碘離子擴散的檢測。

（a-c）基于CQDs/石墨烯富勒烯衍射物苯-C61正丁酸甲酯（PCBM）（50 nm），CQDs/PCBM（150 nm）以及CQDs/G-PCBM（150 nm）的PSCs的SEM-EDX分析。PSCs預先在100 oC的黑暗干燥條件下處理90 h。（d）銀電極上的碘元素XPS圖譜。（e）在常溫環境里陳化7天后的PCBM基本器件（50 nm）的電鏡層間交錯照片。

圖3 PSCs的性能測試

（a）NiMgLiO/鈣鈦礦/G-PCBM（150 nm）/CQDs（10 nm）/Ag結構的器件在模擬太陽光 （AM 1.5G，100 mW cm^-2）下的光電流 電流-電壓表征。

（b） 光譜響應測試。

（c）在黑暗和AM 1.5G的模擬陽光下封裝器件的穩定性。（d）相對濕度為50%的85 oC陳化條件下封裝電池的穩定性。

圖4電荷逸出和電子空穴復合特性

（a，b）覆蓋了PCBM和G-PCBM的MAPbI₃薄膜的時間分辨光致發光曲線和穩態光致發光譜圖。實線處是雙重指數衰減的擬合結果。

（c，d）覆蓋有CQDs/PCBM和CQDs/G-PCBM的MAPbI₃材料的瞬態光電流和光伏衰減曲線。

【小結】

團隊通過含有石墨烯衍生物和富勒烯衍生物以及碳量子點的納米碳層控制電荷和離子/分子擴散制備了具有高穩定性效率的太陽能鈣鈦礦材料。在石墨烯-PCBM材料中的離子/分子擴散相對于傳統的PCBM材料相比被三倍有效抑制。組裝得到的正方體器件表現出高達15.6%的光電轉化效率，在85 oC溫度環境里500 h的測試或在1.5倍大氣光照條件下能夠穩定地保持在15 %以上的轉換效率。