Nat. Commun. :稳定高效钙钛矿太阳能电池的离子和电荷载流子的分离工程

【引言】

杂化有机-无机钙钛矿材料因其对可见光的强吸收，能带可控，电荷空穴的长分离路径等出色的光伏特性而收到广泛的关注。钙钛矿太阳能电池(PSCs)因为具有低成本加工，原料丰富以及空前的高光电转换效率（PCE）被认为是下一代最具有竞争力的光伏技术。目前能量转换效率最高的钙钛矿太阳能电池效率达到22%，串联的电池组效率超过25%。然而，钙钛矿材料的长期循环稳定性较差，成为阻碍其未来大规模应用的限制条件。

【成果简介】

瑞士洛桑联邦理工学院的Michael Gra ¨tzel，上海交通大学的杨旭东，韩立元（共同通讯作者）团队在钙钛矿的光吸收层和电极层之间沉积了纳米碳层，通过扩散工程法抑制了钙钛矿材料中的劣态离子、分子的扩散，促进了光激发电荷的分离。与传统的提高扩散层厚度方法相比较，这一方法表现出三倍的抑制扩散的效率。该成果以"Diffusion engineering of ions and charge carriers for stable efficient perovskite solar cells"为题，发表在Nature Communications上。

【图文导读】

图1 利用纳米碳层来抑制层间与层间的离子/分子扩散，加速电荷载流子扩散的二维异质结钙钛矿太阳能电池

（a）NiMgLiO/钙钛矿/N掺杂石墨烯富勒烯衍射物苯-C61正丁酸甲酯（G-PCBM）/碳量子点（CQDs）/银器件的扫描电镜层间交错照片。

（b）纳米碳电子转移层的扩散过程示意图。

（c）二维平面电池的能带结构。

图2 PSCs中碘离子扩散的检测。

（a-c）基于CQDs/石墨烯富勒烯衍射物苯-C61正丁酸甲酯（PCBM）（50 nm），CQDs/PCBM（150 nm）以及CQDs/G-PCBM（150 nm）的PSCs的SEM-EDX分析。PSCs预先在100 ºC的黑暗干燥条件下处理90 h。（d）银电极上的碘元素XPS图谱。（e）在常温环境里陈化7天后的PCBM基本器件（50 nm）的电镜层间交错照片。

图3 PSCs的性能测试

（a）NiMgLiO/钙钛矿/G-PCBM（150 nm）/CQDs（10 nm）/Ag结构的器件在模拟太阳光 （AM 1.5G，100 mW cm^-2）下的光电流 电流-电压表征。

（b） 光谱响应测试。

（c）在黑暗和AM 1.5G的模拟阳光下封装器件的稳定性。（d）相对湿度为50%的85 ºC陈化条件下封装电池的稳定性。

图4电荷逸出和电子空穴复合特性

（a，b）覆盖了PCBM和G-PCBM的MAPbI₃薄膜的时间分辨光致发光曲线和稳态光致发光谱图。实线处是双重指数衰减的拟合结果。

（c，d）覆盖有CQDs/PCBM和CQDs/G-PCBM的MAPbI₃材料的瞬态光电流和光伏衰减曲线。

【小结】

团队通过含有石墨烯衍生物和富勒烯衍生物以及碳量子点的纳米碳层控制电荷和离子/分子扩散制备了具有高稳定性效率的太阳能钙钛矿材料。在石墨烯-PCBM材料中的离子/分子扩散相对于传统的PCBM材料相比被三倍有效抑制。组装得到的正方体器件表现出高达15.6%的光电转化效率，在85 ºC温度环境里500 h的测试或在1.5倍大气光照条件下能够稳定地保持在15 %以上的转换效率。