太阳能电池最新Science：具有效率为24.82%的稳定钙钛矿太阳能电池

CYM 4年前 (2020-09-25) 7912浏览

【引言】

钙钛矿太阳能电池（PSCs）性能的进一步改善和稳定对于实现下一代光伏产品的商业可行性至关重要。为了获得更好、更便宜的替代能源，钙钛矿太阳能电池已经成为下一代太阳能电池的领跑者。通过改进钙钛矿材料配方、器件制造流程和高质量成膜方法，在实验室规模的PSCs中，功率转换效率（PCE）已经超过25%，这是基于一个比较完善的电子束流化技术的基础上。大多数高性能PSCs都是由钙钛矿吸收剂组成的夹层结构，在金属氧化物电子传输材料（ETM）和有机空穴传输材料（HTM）之间。由于可以从各种处理方法中获得高质量的钙钛矿和ETM，因此HTM被认为对进一步提高PSC性能至关重要。固态染料敏化太阳能电池发现已经超过二十年，由于其非晶态性质、与掺杂剂的高相容性以及与钙钛矿相匹配的能级，仍然被认为是PSC中最有效的HTM。但是，必须使用吸湿性掺杂剂对其进行化学掺杂，以实现有效的空穴提取和足够的电导率。尽管PCE已经足够用于实际应用，但这种掺杂会对环境PSC的稳定性，从而产生负面影响，对PSC的真正商业化构成了一个主要障碍。因此，PSC正在积极研究候选的HTM，以取代Spiro OMeTAD，最终实现稳定的PSC，同时表现出相同或改进的性能。值得注意的是，铯离子（Cs⁺）、碳电极和基于无掺杂的PSC的最新研究可以在提高器件稳定性方面带来好处，但与基于SpiroO MeTAD的PSC相比，PCE水平更低。

近日，韩国蔚山国立科技大学（UNIST）Changduk Yang教授，韩国能源研究所Dong Suk Kim教授和韩国蔚山国家科技研究所Sang Kyu Kwak教授（共同通讯作者）考虑到氟化能使共轭材料具有能级，疏水性和非共价相互作用的优点，因此开发了Spiro OMeTAD的两个含氟异构体类似物（Spiro-mF和Spiro-oF）作为制备PSC的HTM，并将它们与优化后的Spiro-OMeTAD基PSC的器件性能进行了比较。通过实验，原子分析和理论分析研究了由结构异构引起的结构-性质关系，不仅报告了用Spiro-mF制造的器件实现了24.82%的高效率（认证的PCE为24.64%，损耗为0.3v），而且还展示了在高相对湿度（RH）下长期稳定性（500小时后效率保持87％）。此外，在大面积电池中，也实现了22.31%的效率。相关研究成果以“Stable perovskite solar cells with efficiency exceeding 24.8% and 0.3-V voltage loss ”为题于2020年9月25日发表在Science上。

【图文导读】

图一、HTM的光学和电化学特性以及DFT计算