Adv. Mater. 北京大学在钙钛矿太阳能电池研究中获得新进展

【引言】

钙钛矿材料具有几乎理想的直接能隙、大的吸收系数以及高的载流子迁移速率，基于钙钛矿材料的上述优势。因在高性价比方面的巨大潜力，近年，有机-无机钙钛矿太阳能电池（PSCs）获得了惊人的发展以及广阔的应用前景。

目前，所报道的有机-无机钙钛矿太阳能电池能量转换效率（PCE）已经超过20%，效率直追晶体硅太阳能电池。然而，大多数高性能PSCs都是基于空穴传输材料（HTMs）,这些材料将极大增加产品成本，限制其实际应用。为了能够降低HTMs的成本，聚噻吩、NiO、CuSCN等低成本孔导体已经得到了应用，并且获得了高的PCEs，但是，为之而附加的孔传输层（HTLs）确使成本增加。虽然，已经制备出零成本含有HTL的PSCs，然而不幸的是，其能量转换效率不尽人意，而且其J-V曲线滞后非常严重。

【成果简介】

结构和制备工艺简单，对于低成本、高性能的钙钛矿太阳能电池来说至关重要。近日，由北京大学化学与分子工程学院刘志伟教授、卞祖强教授（共同通讯作者）领导的科研团队，首次在钙钛矿前体处理中采用低成本无机孔导体CuSCN作为孔传输添加剂，并通过一步法直接旋转涂覆CuSCN与MAPbI_3-xCl_x（MA= CH₃NH₃）的混合前体溶液，成功共沉淀出孔导体和钙钛矿层。通过参数优化，最终获得最大18.1%的PCE，以及零滞后的J-V曲线。

【图文导读】

图1 设备结构以及层能级示意图

（a,b）结构示意图以及设备横截面SEM图

（c）设备中每层的能级示意图

图2 不同条件下MAPbI_3-xCl_x膜的XRD图谱

（a）MAPbI_3-xCl_x膜在有、无CuSCN时的XRD图谱

（b,c）分别为在15.8–17.0°与13.5–29.0°区间放大的XRD图谱

图3 不同方法测得的性能曲线

（a）钙钛矿层中有、无Cu SCN时，沿设备正向扫描（FS）与反向扫描（RS）的J-V曲线

（b）设备对应的光电转换效率（IPCE）光谱

图4 不同膜层以及不同条件下的性能曲线

（a）ITO/MAPbI_3−xCl_x，glass/MAPbI_3−xCl_x/C60 以及ITO/MAPbI_3−xCl_x(CuSCN)膜的时间分辨光致发光谱（PL）衰变曲线

（b）设备在钙钛矿层中有、无CuSCN时的复合阻力（R_rec）

（c,d）分别为设备在钙钛矿层中有、无CuSCN时仅有孔与仅有电子的J-V曲线

图5 ITO/MAPbI_3−xCl_x膜与ITO/MAPbI_3−xCl_x（CuSCN）膜的扫描与原子力图像

（a）ITO/MAPbI_3−xCl_x膜扫描图像

（b）ITO/MAPbI_3−xCl_x（CuSCN）膜扫描图

（c）ITO/MAPbI_3−xCl_x膜原子力扫描图像

（d）ITO/MAPbI_3−xCl_x（CuSCN）膜原子力扫描图像

其中TO/MAPbI_3−xCl_x膜与ITO/MAPbI_3−xCl_x（CuSCN）膜均方根（RMS）表面粗糙度分别为16.7nm和16.6nm.

图6  设备工作机制示意图

左：钙钛矿层中有CuSCN； 右：钙钛矿层中无CuSCN。

【小结和展望】

钙钛矿因其优异的性能以及低廉的价格，近年来成为太阳能电池研究的热点。结构和制备工艺简单，对于低成本、高性能的钙钛矿太阳能电池来说至关重要，本文通过一步法共沉淀出孔导体和钙钛矿层，实现了降本的目的，并获得了最大18.1%的PCE，以及零滞后的J-V曲线。未来，在降本的同时，提高钙钛矿太阳能电池的PCE仍为研究的重点！

文献链接：A Strategy to Simplify the Preparation Process of Perovskite Solar Cells by Co-deposition of a Hole-Conductor and a Perovskite Layer（Adv. Mater.，2016，DOI: 10.1002/adma.201603850）

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