2020年1月18日
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现代工程与应用科学学院谭海仁课题组在钙钛矿太阳能电池领域取得新进展

近日,现代工程与应用科学学院谭海仁教授课题组在界面钝化技术制备高效钙钛矿太阳能电池方向取得新进展,相关成果以“Simultaneous Contact and Grain-Boundary Passivation in Planar Perovskite Solar Cells Using SnO2-KCl Composite Electron Transport Layer ”为题于12月05日在线发表于《Advanced Energy Materials》(https://doi.org/10.1002/aenm.201903083)。

钙钛矿太阳能电池,是利用有机无机杂化金属卤化物钙钛矿材料作为吸光层的新型太阳能电池,具有低成本,易制备,高性能等显著优势,是目前国际上研究的热点。钙钛矿电池的光电转化效率发展迅速,由2009年的3.8% 提升到2019年的25.2%,在光伏领域具有极大的竞争潜能。尽管效率已超过25%,但相较于其理论极限(S-Q 极限),钙钛矿电池依然有一定的差距,尤其是在开路电压方面。效率的损耗与钙钛矿电池中存在的缺陷密切相关,这些缺陷增加了非辐射复合的占比,降低了载流子的利用率。经研究表明,电池中的缺陷多集中在钙钛矿材料的晶界以及与传输层材料的接触界面上。因此,合理地利用钝化技术减少缺陷有利于电池性能的进一步提升。

在n-i-p结构的钙钛矿电池中,现有工作多集中于钝化钙钛矿层与空穴传输层接触的顶界面,因为旋涂空穴传输层的所选溶剂与钝化层相匹配,破坏较小可行性高。相对地,由于钙钛矿所采用的极性溶剂与钝化层的不匹配性,底层界面(即钙钛矿层与电子传输层的界面)的钝化技术相关研究较少。

针对这一问题,谭海仁课题组借鉴了前期相关工作基础(DOI: 10.1126/science.aai9081),将稳定的无机物氯化钾加入到电子传输层二氧化锡纳米晶中。留于电子传输层表面的钾离子和氯离子可以钝化该界面,减小缺陷态导致的非辐射复合,提高载流子的抽取能力。同时,存于电子传输层表面的钾离子在上层钙钛矿薄膜的旋涂与退火的过程中,能够部分地扩散至钙钛矿膜层中,并聚集于钙钛矿晶界处。此处的钾离子可以显著降低缺陷密度,提升辐射复合的比例。由于非辐射复合的抑制以及更高效的载流子抽取能力,该策略将电池的开路电压由最初的1.077V 提升到1.137V,电池效率从20.2% 提升到22.2% (如图一所示)。

图1,(a)钙钛矿电池结构及钝化策略示意图;(b)钝化与未钝化电池的电流-电压曲线对比。

该方法能够同时实现钙钛矿电池底层界面以及晶界处缺陷的钝化,简单易行,适用于大规模的生产制备,可为进一步提高钙钛矿电池效率提供有效指导。现代工程与应用科学学院15级直博生朱鹏臣和17级博士研究生顾帅为本文的共同第一作者,现代工程与应用科学学院谭海仁教授为本文的通讯作者。本工作得到了现代工程与应用科学学院朱嘉教授、电子科学与工程学院黎松林教授的合作指导;该工作还得到了科技部国家重点研究计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和固体微结构物理国家重点实验室、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室的支持。