Advanced Materials:克服平面结钙钛矿电池的界面损失【新能源160512期】

钙钛矿电池作为第三代太阳能电池的新秀，光电转化效率已高达22%，远远高于薄膜、染料和量子点敏化太阳能电池的效率，可以和硅基太阳能电池相媲美。但是，滞后现象(所谓滞后现象是指钙钛矿电池在进行效率J-V曲线测量时，性能会随着测试正向和反向而不同，更有甚者，改变测试时的速率和也会改变性能曲线。)一直是困扰和阻碍钙钛矿电池进一步发展的主要原因之一。因此，探索滞后现象的本质原因以及一定程度的降低滞后现象，无疑是太阳能电池的里程碑式的进步。

近日，埃尔朗根-纽伦堡大学的Yi Hou和Christoph J. Brabec课题组发现了以NiO纳米晶体(LT-NiO)作为空穴传输材料的钙钛矿电池的滞后现象得到了显著的降低，该电池的光电转化效率达17.5%，相比基于3，4-乙撑二氧噻吩单体-聚苯乙烯磺酸盐聚合物（PEDOT:PPS）空穴传输层的钙钛矿电池（12.4%），提高了41.1%。

本工作的亮点在于低温环境下制备的以LT-NiO为空穴传输层的钙钛矿电池，其滞后现象几乎消失。同时，文章比较系统的对比了LT-NiO与传统空穴传输材料（PEDOT:PPS），并对不同热处理温度LT-NiO膜进行电池性能的研究。最后，为进一步提高电池光电转化效率，作者引入了二萘嵌苯—二酰亚胺衍生物（PDINO）作为电子传输的辅助层，从而使填充因子得到极大提升。

以下是该工作图文详解：

图1. (a)电池结构示意图：导电玻璃（ITO）/LT-NiO/钙钛矿（Perovskite）/富勒烯衍生物（PCBM）/（PDINO）/Ag，(b) PDINO的分子结构。(c) LT-NiO的晶体结构，(d)反向钙钛矿电池的能带匹配图，(e)和(f)分别是以PEDOT:PPS和 LT-NiO为基底的钙钛矿膜的形貌，(g)和(h)分别是以PEDOT:PPS和 LT-NiO空穴传输层的完整钙钛矿电池的截面图。

图2. NiO纳米颗粒的透射电镜图(a)，高分辨下的电镜图(b)和选定区电子衍射(c)。

图3. 不同界面层的J-V测试曲线。(a)有无添加PDINO 的电池的J-V曲线，很明显看出，添加了PDINO层的电池填充因子有了很大的提高，(b)处理温度对电池性能的影响，对LI-NiO层进行140°C热处理后的效率是最佳的，(c) 以PEDOT:PPS和 LT-NiO为空穴传输材料的电池性能，与传统空穴传输材料相比，表现出良好的光电转化效率，最高效率达17.5%，(d) LT-NiO空穴传输材料的电池的外量子转化效率在全波段都高于PEDOT:PPS电池的外量子转化效率，说明LT-NiO材料加速了载流子的分离和空穴的传输。

图4. 不同界面层的电池的滞后现象和稳态电流。(a)传统空穴传输材料制备的电池的正反扫曲线，可以看出PEDOT:PPS电池滞后现象严重，(b)添加PDINO层后，电池的正反扫曲线重合，说明该电池的滞后现象消失，(c)同时添加LT-NiO 和PDINO 层的电池滞后现象消失，相比（b），短路电流和开路电压均得到提升，效率也明显增加，(d)稳态电流比介孔钙钛矿电池还要高，说明该电池的稳定性可以和介孔钙钛矿电池相比拟。

图5. 傅里叶变换光电流光谱(FTPs) 和光致发光(EL)测量。

结合FTPs和EL研究，可以得出LT-NiO₂相比于PEDOT:PPS有效抑制了非辐射复合，其非辐射损失电压（V_oc）只有0.226V，与Si电池和CIGS电池的损失值相当。

以LT-NiO₂为空穴传输层，结合PCBM/PDINO电子传输层的低温制备的钙钛矿电池成功削弱了滞后现象，并获得了17.5%的光电转换效率，是目前低温制备的平面结钙钛矿电池中的最高效率。因此，该钙钛矿电池有望从实验室走向实际应用。

该工作发表于Advanced Materials (IF= 17.493), 原文链接：：Overcoming the Interface Losses in Planar Heterojunction Perovskite-Based Solar Cells.

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