科研进展简报

铅卤钙钛矿铅取代工作研究新进展

来源:武汉光电国家实验室(筹)    作者:能源光子学功能实验室    发布时间:2017年04月27日

       自2009年以来,以有机-无机铅卤钙钛矿为吸光层的太阳能电池光电效率不断取得突破,成为光伏领域的研究热点之一。具有ABX3(A = CH3NH3+, NH(CH3)2+; B = Pb2+; X = Cl-, Br-, I-)结构的铅卤钙钛矿材料具有高吸收、双极性载流子迁移率、窄带隙的特性,并且材料可通过组分调节实现能带剪裁,是性能优异的光电功能材料。有机-无机铅卤钙钛矿薄膜易于制备,可实现大面积生产,且展现出卓越的电荷传输、光吸收以及光致发光特性。有机-无机铅卤钙钛矿太阳能电池在七年多的时间内效率不断突破,目前国际最高公证效率已达22.1%,面积超过1 cm2的器件效率突破15%。钙钛矿太阳能电池效率与CdTe 薄膜电池(认证记录电池效率22.1%)和CIGS(认证记录电池效率22.3%)薄膜电池技术相媲美,已经接近于市场上主导地位的晶体硅太阳能电池(约25%)。但是必须指出,有机-无机铅卤钙钛矿太阳能电池器件的长期稳定性和环境友好性(含毒性Pb)严重制约其实际应用。因此,制备无铅或少铅且稳定性良好的高效钙钛矿太阳能电池是该领域的研究热点。

       针对铅卤钙钛矿太阳能电池所存在的稳定性及含毒性Pb的问题,结合钙钛矿的结构特点,武汉光电国家实验室王鸣魁教授和美国加州大学洛杉矶分校杨阳教授合作,利用离子半径与Pb2+相当的Sr2+对铅卤钙钛矿中的Pb进行取代,成功合成了新型少铅钙钛矿,并在ITO/compact TiO2/ CH3NH3SraPb1-aI3-xClx/spiroMeOTAD/Au器件结构中实现了16.3%的光电转换效率。器件结构和典型的输出光电压-电流曲线如图1所示。研究结果表明,Sr的掺入能有效抑制钙钛矿中Pb0的出现,从而提高了Sr-Pb钙钛矿电池的稳定性(如图2所示)。

        研究人员应用电化学阻抗等手段深入探索了该新型材料及其器件内部界面电荷传输过程,发现尽管Sr取代Pb形成的新型钙钛矿材料提高了热稳定性,但是Sr的掺杂过程引入了缺陷态,从而明确限制少铅钙钛矿太阳能电池器件性能的关键因素,指出通过界面钝化工程可望进一步提高非铅(少铅)钙钛矿太阳能电池的性能。

        2017年4月23日Nano Energy在线发表了其研究成果“Efficient planar perovskite solar cells using halide Sr-substituted Pb  Perovskite”(Nano Energy, 2017, 36, 213–222)。本工作得到了国家自然科学基金项目(No.21673091 和 No.21103057)、湖北省自然科学基金(No. ZRZ2015000203)等项目的支持。

1

 

图1 基于新型少铅钙钛矿CH3NH3SraPb1-aI3-xClx 材料的太阳能电池器件结构及其在标准条件下的光-电输出特征曲线

 

 

2

 

图2 a) 新型少铅钙钛矿CH3NH3SraPb1-aI3-xClx 材料XPS能谱表征(Pb 4f和Sr 3d元素),b) 相应太阳能电池热(80℃)稳定性测试结果。

文章链接http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517302562