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甯波材料所在鈣钛礦太陽能電池研究方面取得系列重要進展
作者:,日期:2019-12-14

  鈣钛礦太陽電池是光伏領域近年來興起的一個重要研究方向。由于其優良的自組裝特性、有機無機雜化鈣钛礦能夠通過簡單的低溫濕法工藝實現大面積的太陽電池組件制備、原材料的豐富低廉和器件效率的飛速發展等使得其在未來的商業化應用中呈現出巨大潛力。然而,當前主流器件結構中普遍采用TiO2等高溫制備的n型半導體材料作爲電子傳輸層,這增加了器件的制造能耗和成本,並限制了柔性器件的構建。而且TiO2等金屬氧化物較強的紫外光催化性能是造成器件光照穩定性差的重要原因。因此,避免該類傳輸材料的使用或開發新型的界面修飾材料十分重要。

  近期,中國科學院宁波材料技术与工程研究所葛子义课题组研究人员针对此问题取得了系列研究进展。

  首先,基于前期研究結果(ACS Applied Material and Interfaces 2016, 8, 9811-9820, Solar Energy Materials & Solar Cells 2016, 157, 1038-1047),通過引入外部摻雜劑來控制鈣钛礦的載流子類型,由此來協同優化鈣钛礦吸收層前後界面的能帶結構和能級對准,構建了具有高效整流特性的p-n異質結原型器件,爲進一步揭示此類器件的工作原理和提升此類器件的性能提供了全新思路(圖1)。相關結果發表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201800274)上。

  進一步,針對該類器件發展過程中存在的問題,研究人員做了深入全面的文獻綜述,相關結果發表于Advanced Energy Materials (2019, 1900248)。基于這些新認識,針對鈣钛礦和透明導電玻璃前電極之間的較大的能級差和界面缺陷,研究人員創新性地將課題組前期開發的小分子界面材料MSAPBS用于透明導電玻璃(TCO)的功函數調控和器件前界面缺陷鈍化(圖2)。該界面材料的引入顯著降低了TCO的功函數和鈣钛礦/TCO界面的電子收集勢壘,優化後的界面能帶彎曲實現了高效的電子選擇性收集;界面層分子中SO3-和NH3+的存在進一步鈍化了鈣钛礦/TCO界面的缺陷態,保證了高效的電子收集,與此同時顯著提升了器件的短路電流密度、開路電壓、填充因子,最終實現了效率達20.6%的無金屬氧化物電子傳輸層鈣钛礦太陽電池。由于電子收集勢壘的消除和界面缺陷的鈍化抑制了電荷積累,器件的遲滯效應得到了抑制,穩定性也顯著提升。相關研究工作投稿于Advanced Science (2019, DOI: 10.1002/advs.201902656)

  此外,通过与美国西北大学Tobin J. Marks和Antonio Facchetti教授课题组的合作,将该类界面材料引入到经典平面异质结结构钙钛矿太阳电池中,自下而上地钝化了器件前界面和钙钛矿吸收层的体相缺陷态,抑制了器件的迟滞效应,显著提升了器件的光电转换效率(21.18%)、环境湿热稳定性和光照稳定性(图3)。相关研究工作发表于Advanced Materials (2019, 1903239)

  上述研究得到了国家自然科学基金(61904182)、博士后科研创新人才支持计划(BX20180322)、国家重点研发计划(2016YFB0401000)、浙江省杰出青年基金(LR16B040002)、宁波市科技创新团队(2015B11002、2016B10005)、中科院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-SYS030)、中科院重点國際合作项目(174433KYSB20160065)和国家自然科学基金杰出青年基金(21925506)等资助。

图1 (a, b)掺杂前后钙钛矿薄膜的UPS谱,器件各功能层的能级对准变化(c),掺杂前(d)和掺杂后(e)器件能带结构的变化

图2 (a)器件断面SEM照片, (b)器件能带结构, 参照组和优化组器件性能参数对比:J-V曲线(c), EQE曲线(d), 稳态输出曲线(e)和性能参数统计分布(f)

图3 (a)采用不同电子传输层的最优器件的J-V曲线, 器件性能参数统计分布(b), 器件的迟滞特性(c), 器件的稳态输出(d), 器件的湿热稳定性测试(e,f)和光照稳定性测试(g)

  (新能源技术所 黄利克)