山东大学Adv. Mater.：无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的分级异质结工程改善其空穴提取和传输

编辑部实习生 7年前 (2017-09-10) 11787浏览

【引言】

有机无机混合卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）近年来已显示出光电性能好和制备成本低廉等优势。典型的PSC由电子传输层（如TiO2），钙钛矿光吸收层（如CH3NH3PbI3)，空穴传输层（HTL）（如spiro­OMeTAD）以及金属接触电极组成。传统空穴传输层spiro­OMeTAD材料价格昂贵且传输性能较差，一些新发现的有机复合材料如三苯胺和PEDOT:PSS等，还有石墨烯和单层碳纳米管也陆续作为空穴传输材料来使用。虽然钙钛矿具有双载流子传输性能，但无空穴层（HTL）钙钛矿太阳能电池的光电转换效率还是较低。调整优化能带排列的异质结工程可以改善许多光伏器件的光电性能。有文献报道，适当的能级界面层可以有效促进载流子注入并减少复合损失。虽然异质结结构有耗尽层深度较窄的缺点，这会导致电子/空穴往未衰竭区聚集，但是合理的分级异质结结构可以增强MAPbI3向背电极抽取和传输空穴的效率。

【成果简介】

最近，山东大学尹龙卫教授(通讯作者)课题组在Adv. Mater. 上发表了题为“Graded Heterojunction Engineering for Hole-Conductor Free Perovskite Solar Cells with High Hole Extraction Effciency and Conductivity”的文章。该研究团队设计了一种全新的钙钛矿太阳能电池结构，利用多级异质结无机钙钛矿CsPbBrxI3−x作为空穴传输材料。调控卤化物的比例及其在CsPbBrxI3−x薄膜中的扩散，使分级调整MAPbI3和CsPbBrxI3−x间的价带和倒带得到最佳排列。分级异质结结构的无空穴层PSC分具有出色的热稳定性和大大提高的电池效率，效率可达11.33%，比完全无空穴传输层（HTL)的电池效率（为8.16%）高出近40%。

【图文导读】

图1 无机钙钛矿的XRD图和紫外可见光吸收（UV-vis）和稳态荧光（PL）光谱图

a）典型无机钙钛矿 CsPbBrxI3−x纳米晶体的XRD图；

b）制备的CsPbBrxI3−x纳米晶体的UV-vis和PL光谱图，插图为紫外灯（λ = 365 nm）下溶于氯苯中溶胶无机钙钛矿的量子点图片。

图2 CsPbBrxI3−x纳米晶体薄膜的全紫外光电子（UPS）能谱图

a）CsPbBrxI3−x 纳米晶体薄膜的全紫外光电子（UPS）能谱图；

b）低结合能区UPS能谱图的放大版截图；

c）高结合能区截图；

d）从光吸收图谱中计算而来的 CsPbBrxI3−x纳米晶体薄膜的测试曲线图；

e）测试图中测算的带隙对应溴的摩尔比的示意图。

图3 分级异质结钙钛矿太阳能电池的能带图

a）经UPS推理，可得的分级异质结钙钛矿太阳能电池的能级图。CsPbBrxI3−x 纳米晶体薄膜中卤化物含量取自CsPbBrI2 和CsPbI3之间；

b）MAPbI3薄膜和CsPbBrxI3−x 薄膜界面处能级示意图，Evav表示真空能，Ec是倒带，Ef是费米能级，Ev是价带；

c）在无HTL太阳能器件中载流子传输机制示意图；

d）在无HTL的一级太阳能器件中载流子传输机制示意图；

e-f）在无HTL的多级太阳能器件中载流子传输机制示意图。

图4 无HTL分级异质结钙钛矿电池结构示意图和性能测试结果

a）分级CsPbBrxI3−x 纳米晶体薄膜太阳能电池的原理图；

b）分级CsPbBrxI3−x 纳米晶体薄膜太阳能电池SEM断面图；

c-d）分级CsPbBrxI3−x 纳米晶体薄膜太阳能电池的J-V曲线和IPCE曲线；

e）MAPbI3、分级纳米晶体薄膜和Ag薄膜制备的半导体器件的TRPL光谱图；

f）分级CsPbBrxI3−x 纳米晶体薄膜太阳能电池的EIS光谱图。

图5 三种不同空穴传输材料钙钛矿太阳能电池稳定性变化（所有电池均未封装）

三种电池空穴传输层分别是spiro-OMeTAD空穴传输层、无空穴传输层、分级CsPbBrxI3−x纳米晶体薄膜传输层；

a）随温度变化的标准能量转换效率；

b）真空下50℃的标准能量转换效率变化；

c）室温下40%湿度的标准能量转换效率变化。

表1 不同分级纳米晶体薄膜的无空穴传输层的优化的钙钛矿太阳能电池的平均性能汇总

【小结】

在该项工作中，研究人员首次实现了高性能和稳定性好的MAPbI3­CsPbBrxI3−x分级异质结无-HTL的太阳能电池的制备和表征，电池效率PEC达到11.33%。该研究的的重点为通过分级异质结结构改善电池效率，同时为解决无HTL及其它钙钛矿太阳能电池电子空穴提取障碍提供了一种新思路。

文献链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201701221/full（Adv. Mater.,2017,DIO: 10.1002/adma.201701221）

本文由材料人编辑部沈黎丽编译，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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