近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所李新化課題組與戴建明課題組合作，在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域取得新進(jìn)展，開發(fā)了一種無(wú)有機(jī)電子傳輸層的新型高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，相關(guān)研究發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)雜志子刊Solar RRL (DOI:10.1002/solr.201800167)上。
作為新能源中不可或缺的一部分，光伏能源的研究進(jìn)展備受關(guān)注。其中，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池由于具有優(yōu)越的光吸收特性、帶隙可調(diào)、載流子壽命長(zhǎng)、遷移率高、制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景，成為光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池分為正式(n-i-p)和反式(p-i-n)兩種結(jié)構(gòu)，而反式(p-i-n)平面結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(陽(yáng)極/空穴傳輸層/鈣鈦礦/電子傳輸層/陰極金屬)憑借制備工藝簡(jiǎn)單、可低溫成膜、無(wú)明顯遲滯效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)受到越來(lái)越多的關(guān)注。但是仍然面臨諸多問題：一是光電轉(zhuǎn)換效率還稍顯不足；二是作為鈣鈦礦(如：甲胺鉛碘(MAPbI3))太陽(yáng)能電池的核心部件有機(jī)電子傳輸層(如：C60、PCBM等富勒烯及其衍生物)的熱穩(wěn)定性差，且無(wú)法阻擋金屬電極在MAPbI3中的擴(kuò)散；三是有機(jī)電子傳輸層成本昂貴等。
為了解決這些問題，固體所研究人員利用金屬鈦(Ti)取代有機(jī)電子傳輸層，設(shè)計(jì)出如圖1所示的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(ITO(陽(yáng)極透明導(dǎo)電玻璃)/PTAA(有機(jī)空穴傳輸層)/MAPbI3/Ti/Cathode (陰極金屬))結(jié)構(gòu)。研究表明，利用Ti的高粘滯性制備的Ti (10nm) 層能夠完整共型地覆蓋在鈣鈦礦表面，有利于降低電極接觸電阻，并且能夠有效抑制陰極金屬在鈣鈦礦器件中的擴(kuò)散，從而有助于保護(hù)器件結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性；另一方面，在Ti與MAPbI3的界面處，Ti與甲胺離子(MA+)形成Ti-N鍵，能夠抑制MAPbI3因表層MA+的揮發(fā)而引起的分解，進(jìn)一步提高了器件的穩(wěn)定性(圖2)。研究結(jié)果顯示利用Ti作為電子傳輸層制備的鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到18.1% (圖3)，這是目前金屬材料與鈣鈦礦層直接接觸器件所達(dá)到的最高效率，也是足以媲美傳統(tǒng)PCBM作為有機(jī)電子傳輸層的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。而且相比于有機(jī)電子傳輸層的制備條件，Ti層的制備和成本更為簡(jiǎn)單與低廉。
此研究工作為構(gòu)筑高效的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池提供了嶄新思路，具有非常重要的指導(dǎo)意義。
該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金的資助。
文章鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/solr.201800167
圖1. 反式ITO/PTAA/MAPbI3/Ti/Cathode結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦器件示意圖
圖2. MAPbI3/Ti中界面Ti-N成鍵示意圖
圖3. 陰極金屬不同的鈣鈦礦器件電流-電壓圖
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