Adv. Energy Mater.：低温制备空穴传输型反向结构钙钛矿太阳能电池

【引言】

近年来，由于低廉的生产成本和高能量转换效率，钙钛矿太阳能电池备受关注。常见的钙钛矿太阳能电池有两种结构，即介孔型钙钛矿和具有反向平面异质结结构的钙钛矿。其中，介孔型钙钛矿太阳能电池具有高能量转换效率（最高可达22.1%），但由于其在制备过程中需要高温烧结（~500℃），对基底材料的选择较为苛刻，且生产过程中能耗较大。与之相比，具有反向平面结构的钙钛矿电池生产过程相对容易，具有稳定性良好、滞后现象不显著等特点。目前很多反向结构的钙钛矿电池由PEDOT:PSS/钙钛矿/PCBM异质结构成，其稳定性会受到PEDOT:PSS酸性的影响。为了避免这一影响，许多钙钛矿电池用Cu₂O、CuI、CuSCN、NiO_x、CuO_x等金属化合物来替代PEDOT:PSS作为空穴传输层，尽管这样能保证材料的稳定性，但电池的能量转化效率往往有所降低。因此低温制备出高效稳定的钙钛矿太阳能电池成为了研究人员的当务之急。

【成果简介】

近日来，日本国立材料科学研究所韩礼元和上海交通大学杨旭东（共同通讯作者）在Advanced Energy Materials上发表了题为“Stable Inverted Planar Perovskite Solar Cells with Low-Temperature-Processed Hole-Transport Bilayer”的文章，重点介绍了该团队在低温制备反向结构钙钛矿太阳能电池方面的最新进展。文章指出，可以通过引入稳定的rGO层和聚三芳胺层来提高钙钛矿薄膜的性能。该太阳能电池由基底材料/ITO/rGO/聚三芳胺/CH₃NH₃PbI₃/PCBM/浴铜灵/银复合结构组成，在通光孔径面积为1.02cm²的条件下，柔性和刚性基底上钙钛矿太阳能电池的能量转换效率分别为15.7%和17.2% 。此外，这种太阳能电池具有出色的光照稳定性，在100mW·cm^-2光照500小时候后，仍保持90%的能量转换效率。

【图文导读】

图一：钙钛矿电池的结构与表征

(a)ITO，PTAA, rGO, rGO/PTAA的透射光谱

(b)钙钛矿电池结构

(c)钙钛矿电池能级

(d)rGO,rGO,rGO/PTAA作为空穴传输层的J-V曲线

图二：MAPbI₃ 膜的SEM照片

(a)ITO/rGO基底上的MAPbI₃表面SEM照片

(b)ITO/rGO/PTAA基底上的MAPbI₃表面SEM照片

(c) ITO/rGO基底上的MAPbI₃断面SEM照片

(d) ITO/rGO/PTAA基底上的MAPbI₃断面SEM照片

图三：MAPbI₃的吸收光谱和PL谱图

(a) MAPbI₃在玻璃，ITO/rGO,ITO/rGO/PTTA基底上的吸收光谱

(b) MAPbI₃在玻璃，ITO/rGO,ITO/rGO/PTTA基底上的XRD

(c) MAPbI₃在玻璃，ITO/rGO,ITO/rGO/PTTA基底上的稳态PL谱图

(d) MAPbI₃在玻璃，ITO/rGO,ITO/rGO/PTTA基底上的TRPL谱图

图四：钙钛矿电池的性能测试

(a) 以rGO 和rGO/PTAA为基底的太阳能电池的光照稳定性

(b)柔性钙钛矿电池在聚乙烯萘二甲酸/ITO基底上的照片

(c)柔性钙钛矿电池的J-V曲线

(d)20个不同柔性钙钛矿电池的光能转换效率

【小结】

本文通过向反向结构钙钛矿电池中引入rGO/PTAA双层结构，提高了钙钛矿电池的稳定性。其中rGO层对近紫外光区有强烈吸收，而PTAA层可作为rGO的缺陷补充层。这种双层结构会导致钙钛矿晶粒的增大，进而减小晶界数量，提高光捕获率。此外不同材料的能级梯度也会有效防止空穴传输材料和钙钛矿界面处的载流子复合，促进载流子的传输。在通光孔径面积为1.02cm²的条件下，柔性和刚性基底上钙钛矿太阳能电池的能量转换效率分别为15.7%和17.2%，并且光照稳定性良好。

文献链接：Zhou Z, Li X, Cai M, et al. Stable Inverted Planar Perovskite Solar Cells with Low‐Temperature‐Processed Hole‐Transport Bilayer[J]. Advanced Energy Materials, 2017.

本文由材料人编辑部黄子芸编译，周梦青审核，点我加入材料人编辑部。

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