香港城市大学&暨南大学Adv. Energy Mater.: 钙钛矿-有机柔性叠层太阳能电池助力高效全解水

【引言】

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因其高的光电转换效率及简单廉价的制备工艺，在光伏领域掀起了新的研究热潮。经过近十年的研究发展，单结（single-junction）钙钛矿太阳能电池的最高光电转换效率已经跃升至最新认证的25.2%，与商业化的晶硅太阳能电池相当。然而单结钙钛矿太阳能电池的进一步发展受到了Shockley-Queisser（S-Q）极限效率的限制。叠层太阳能电池是由多个子太阳能电池连接起来的一种电池结构，通过利用各子电池吸收带隙的差异实现更为有效的光子吸收，进而体现了突破单结太阳能电池的S-Q极限效率的巨大潜力。近几年来，基于有机-无机杂化钙钛矿电池的多结太阳能电池，如双结钙钛矿、钙钛矿-硅、钙钛矿-铜铟镓硒叠层电池等已被广泛研究。与此同时，钙钛矿-有机光伏叠层太阳能电池因其相似的制备工艺和器件结构，且两者正交的溶剂体系可以有效避免后续的溶剂侵蚀，也逐渐吸引了研究者的关注。

【成果简介】

近日，香港城市大学朱宗龙教授、暨南大学王子龙博士（共同通讯作者）等人采用宽带隙钙钛矿 Cs_0.1(FA_0.6MA_0.4)_0.9Pb(I_0.6Br_0.4)₃（1.74 eV）和窄带隙有机材料PBDB-T:SN6IC-4F（1.30 eV）分别作为叠层太阳能电池的顶部和底部子电池的活性层，并旋涂PMABr钝化钙钛矿层。基于钝化后的钙钛矿-有机叠层器件光电转换效率高达15.13%，开路电压为1.85 V；柔性叠层太阳能电池效率最高为13.61%，开路电压为1.80 V。此外，作者也搭建了基于刚性和柔性钙钛矿-有机叠层太阳能电池的光伏驱动水分解系统，光氢转换效率（STH）分别可达12.30%和11.21%，体现了叠层太阳能电池所获得的高开路电压的潜在应用价值。相关成果以题为 “Hybrid Perovskite-Organic Flexible Tandem Solar Cell Enabling Highly Efficient Electrocatalysis Overall Water Splitting” 发表在Adv. Energy Mater.上。

【图文导读】

图一 宽带隙钙钛矿太阳能电池的制备与表征

(a) PMABr钝化的宽带隙Cs_0.1(FA_0.6MA_0.4)_0.9Pb(I_0.6Br_0.4)₃钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
(b-c) 钝化前后钙钛矿薄膜表面SEM；
(d) 钝化前后钙钛矿薄膜的紫外-可见吸收光谱；
(e-f) 钝化前后钙钛矿薄膜的PL和TRPL光谱。

图二 宽带隙钙钛矿太阳能电池的性能测试

(a) 宽带隙钙钛矿太阳能电池的能级示意图；
(b) 钝化前后钙钛矿电池的最佳J-V性能曲线；
(c) 钝化前后钙钛矿电池的EQE光谱；
(d) 钙钛矿电池的稳态光电流输出曲线；
(e) 钝化前后钙钛矿电池开路电压统计分布图；
(f) 器件开路电压随光强变化图。

图三 叠层太阳能电池性能测试

(a) 钙钛矿-有机叠层太阳能电池的能级示意图；
(b) 宽带隙钙钛矿顶部电池、窄带隙有机底部电池和叠层电池的J-V性能曲线；
(c) 叠层太阳能电池的EQE光谱；
(d) 叠层太阳能电池的稳态光电流输出曲线。

图四 叠层太阳能电池驱动水分解

(a) NiFe/碳纳米管析氧催化的J-V曲线；
(b) 商用20% Pt/C析氢催化的J-V曲线；
(c) 叠层太阳能电池和用于双电极水分解体系下NiFe LDH电极的J-V曲线；
(d) 水分解器件的电流密度随时间变化曲线。

图五 柔性叠层太阳能电池性能测试

(a) 柔性叠层太阳能电池和用于双电极水分解体系下NiFe LDH电极的J-V曲线；
(c) 柔性叠层太阳能电池的EQE光谱。

【小结】

研究人员使用PMABr钝化宽带隙钙钛矿薄膜，制备获得的钙钛矿电池开路电压高达1.22 V，基于钝化后的钙钛矿-有机叠层刚性和柔性器件光电转换效率分别高达15.13%和13.61%。进一步地，作者将刚性和柔性叠层太阳能电池应用到太阳能制氢系统中，获得的光氢转换效率分别为12.30%和11.21%。该研究为叠层太阳能电池驱动的水分解应用提供了新的策略，也证明了钙钛矿-有机结构在柔性叠层太阳能电池上的独特优势。

文献链接：Hybrid Perovskite‐Organic Flexible Tandem Solar Cell Enabling Highly Efficient Electrocatalysis Overall Water Splitting（Adv. Energy Mater. 2020, DOI: 10.1002/aenm.202000361）

本文由噜噜编译。