富勒烯衍生物助力高開(kāi)路電壓錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池
近期，上?？萍即髮W(xué)寧志軍課題組在Nature Communications上發(fā)表題為“Ultra-high open-circuit voltage of tin perovskite solar cells via an electron transporting layer design”的研究論文，在錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池開(kāi)路電壓方面取得了突破。該工作是寧志軍課題組在前期引入低維錫基鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和納米梯度結(jié)構(gòu)制備高效器件的基礎(chǔ)上，在錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池方面的又一個(gè)重要進(jìn)展（圖1）。
鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池目前已經(jīng)取得了25.2%的認(rèn)證效率，但是可溶性的重金屬鉛可能造成的管制問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題，將會(huì)對(duì)鉛鈣鈦礦的商業(yè)化應(yīng)用帶來(lái)了一些不確定的因素，尤其是在可穿戴器件以及室內(nèi)和建筑物等人口密集的場(chǎng)所中的應(yīng)用，因此非鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的應(yīng)用具有重要意義。錫基鈣鈦礦具有和鉛基鈣鈦礦相媲美的光電特性，比如高吸光系數(shù)、高載流子遷移率、合適的光學(xué)帶隙等，是理想的環(huán)境友好型光伏材料。
近年來(lái)，錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能取得了快速的發(fā)展，但是它們較小的開(kāi)路電壓限制了器件的效率。目前文獻(xiàn)報(bào)道的開(kāi)路電壓一般在0.6 V以下，相比于錫基鈣鈦礦1.35 eV左右的帶隙，器件的開(kāi)路電壓損失在0.7 V以上。因此，雖然錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的短路電流和鉛基鈣鈦礦接近，目前錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的最高光電轉(zhuǎn)化效率停留在10%左右。
目前業(yè)內(nèi)認(rèn)為鈣鈦礦氧化和空位缺陷是錫基鈣鈦礦器件較低的開(kāi)路電壓的主要原因。在這項(xiàng)研究中，作者提出了全新的研究思路，從器件結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，在低維錫基鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和反式太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)利用較淺LUMO軌道能級(jí)的富勒烯衍生物ICBA作為電子傳輸層材料，取代常用的富勒烯衍射物PCBM，實(shí)現(xiàn)了錫鈣鈦礦和電子傳輸層之間的能級(jí)匹配。同時(shí)ICBA抑制了碘離子長(zhǎng)程摻雜帶來(lái)的電子傳輸層載流子濃度提高，降低了界面的載流子復(fù)合。這兩個(gè)因素一起，實(shí)現(xiàn)了0.94 V的開(kāi)路電壓（圖2），并取得了第三方實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證的12.4%能量轉(zhuǎn)換效率，這是目前認(rèn)證效率最高的錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。
圖2：（a）錫基鈣鈦礦電池的能級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖，（b）AM1.5G光照下基于不同電子傳輸層的器件J-V曲線圖。
圖3：（a）錫鈣鈦礦與電子傳輸層之間的界面電勢(shì)SKPM掃描圖；（b）錫鈣鈦礦和電子傳輸層之間的界面非輻射復(fù)合示意圖。
該工作說(shuō)明除錫鈣鈦礦活性層的缺陷之外，錫鈣鈦礦的P型摻雜特點(diǎn)所帶來(lái)的界面復(fù)合是影響器件開(kāi)路電壓的重要因素，合理的界面設(shè)計(jì)是提高錫鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能的重要途徑。
該論文的第一作者為上?？萍即髮W(xué)博士生姜顯園和王飛，通訊作者為上?？萍即髮W(xué)寧志軍教授，蘇州納米所陳立桅研究員和陳棋副研究員為共同作者。
來(lái)源：中國(guó)粉體網(wǎng)