中科院半導體所Energ. Environ. Sci.：有效的電荷提取技術提升鈣鈦礦太陽能電池的效率

【引言】

鈣鈦礦材料具有帶隙可調、吸收系數高、載流子壽命長和載流子遷移率高等優點，因此近些年鈣鈦礦太陽能電池的研究非常火熱，其效率已經突破了20%。鈣鈦礦薄膜的質量是電池性能的主要決定因素。然而，如今鈣鈦礦薄膜質量的優化已經達到極致，因此想繼續通過優化鈣鈦礦薄膜質量來提升鈣鈦礦太陽能電池的效率變得十分困難。此外，電荷傳輸層以及電極材料對整個電池器件的性能也起到舉足輕重的作用。其中常用的空穴傳輸材料有：氧化鎳、PTTA；電子傳輸材料有：氧化鈦、氧化鋅和PCBM，此外還可以通過增加PFN,BCP等聚合物作為緩沖層來增強電極收集電子空穴的能力。因此通過調控電荷傳輸層與電極材料來提升鈣鈦礦電池的效率是一個值得深入研究的課題。

【成果簡介】

近日，中科院半導體所王智杰研究員、曲勝春研究員和德國Ilmenau工業大學雷勇（Yong Lei）教授（共同通訊作者）等人在Energ. Environ. Sci.發表了一篇名為“Efficacious engineering on charge extraction for realizing highly efficient perovskite solar cells”。在該篇文章中，研究者通過一系列有效的電荷提取策略，其中包括用乙酰丙酮鋯修飾鋁電極；銅摻雜氧化鎳；采用高導FTO等策略。成功地將倒置甲基鹵化鉛鈣鈦礦電池的效率提升至20.5%。

【圖文簡介】

圖1：器件結構與薄膜表征

(a). 鈣鈦礦太陽電池的器件結構示意圖；

(b). 鈣鈦礦太陽電池的橫截面SEM圖；

(c). ITO襯底上氯摻雜鈣鈦礦和鈣鈦礦薄膜的XRD；

(d). ITO/NiOx襯底上的鈣鈦礦薄膜的SEM圖。

圖2：乙酰丙酮鋯的摻雜濃度對器件的性能的影響

(a). 摻/未摻乙酰丙酮鋯的ITO/鈣鈦礦/PC₆₁BM結構的PL譜

(b). 摻雜不同乙酰丙酮鋯濃度的鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線；

(c). 摻雜不同乙酰丙酮鋯濃度的鈣鈦礦太陽能電池的EQE曲線；

(d). 摻雜不同乙酰丙酮鋯濃度的鈣鈦礦太陽能電池的J^1/2-V曲線；

(e). 摻雜不同乙酰丙酮鋯濃度的ITO/鈣鈦礦/PC₆₁BM結構的J-V曲線；

(f). 摻雜不同乙酰丙酮鋯濃度的鈣鈦礦太陽能電池的交流阻抗曲線；

圖3：摻雜不同濃度Cu的氧化鎳對鈣鈦礦太陽能電池的影響

(a). ITO/NiO_x或摻5%Cu的NiO_x/鈣鈦礦結構的PL譜;

(b). 摻不同濃度Cu的氧化鎳薄膜的鈣鈦礦太陽能器件的J-V曲線；

(c). 摻不同濃度Cu的氧化鎳薄膜的鈣鈦礦太陽能器件的EQE曲線；

(d). 僅有空穴傳輸層結構ITO/NiO_x/鈣鈦礦/Au的J^1/2-V曲線。

圖4：一系列摻銅氧化鎳薄膜的UPS表征

(a-c).不摻銅，摻5%銅，摻20%銅的氧化鎳薄膜的UPS譜。

圖5：襯底電極對器件性能的影響

(a). ITO和FTO襯底退火前退火后的方阻變化；

(b). ITO和FTO襯底鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線；

(c). ITO和FTO襯底鈣鈦礦太陽能電池的交流阻抗譜；

(d). 倒置鈣鈦礦太陽能電池的能帶結構圖。

【小結】

? 研究者通過氯摻雜鈣鈦礦層提升電池的開路電壓，用酰丙酮鋯修飾鋁電極增強電子收集能力，還通過銅摻雜增強氧化鎳的空穴傳輸能力，以及選用熱穩定型好與傳導率高的FTO作為襯底。這一系列優化設計成功將倒置鈣鈦礦太陽能電池的效率提升至20.5%。

文獻鏈接：Efficacious engineering on charge extraction for realizing highly efficient perovskite solar cells (Energ. Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/c7ee02685d)

本文由材料人編輯部新能源學術組金也供稿，材料牛編輯整理。

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