科研进展简报

基于低温溶液法制备CuCrO2空穴传输层的高效、高光稳定钙钛矿太阳能电池

来源:武汉光电国家研究中心    作者:    发布时间:2018年04月08日

在短短几年间,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经突破22%,然而其对湿度和光照的稳定性是限制其工业化生产的重要因素。虽然近年来,科研工作者通过多种手段提高钙钛矿太阳能电池对湿度的稳定性,但是钙钛矿太阳能电池的光稳定性研究较少,尤其是紫外光(<400 nm)稳定性。目前降低紫外光对钙钛矿的分解主要有两种途径:一种是将钙钛矿吸收的紫外光转换成可见光;另一种是制备紫外光阻挡层,将紫外光过滤。在顺式n-i-p结构中已有报道BaSnO3 作为电子传输层抑制紫外光对钙钛矿的分解,但是在反式p-i-n结构的钙钛矿太阳能电池中,如何降低紫外光对钙钛矿层的分解是亟待解决的问题。

最近,华中科技大学武汉光电国家研究中心的陈炜教授课题组与香港科技大学杨世和教授,华盛顿大学Alex K.-Y. Jen教授合作,通过低温溶液法制备致密的CuCrO2空穴传输层并将其应用在反式p-i-n钙钛矿太阳能电池中取得19%的光电转换效率,同时发现,CuCrO2空穴传输层能够吸收紫外光从而降低紫外光对钙钛矿的破坏,最终提高钙钛矿太阳能电池的光稳定性。

CuCrO2ABO2的铜铁矿结构,具有较高的空穴迁移率和电导率,同时其价带位置与钙钛矿的价带位置匹配(1)。通过水热法可以得到尺径<10 nm的均匀的CuCrO2纳米颗粒,并制备出分布均匀致密的CuCrO2薄膜。随着膜厚的增加,CuCrO2薄膜的紫外区的透过率显著降低,而可见光区的透过率变化较小,这说明CuCrO2薄膜在保证可见光区透过率的同时能够吸收紫外光(2)

CuCrO2作为空穴传输层应用在钙钛矿太阳能电池中,相对于低温NiO,在CuCrO2基底上的钙钛矿晶体颗粒较大。通过PL测试发现,钙钛矿能够更有效地将空穴注入至CuCrO2中。并且由于CuCrO2的空穴迁移率和电导率较高,能够更有效地提取钙钛矿中的空穴,基于CuCrO2的器件性能为19.0%NiO的器件性能为17.1%(图3)。将NiOCuCrO2的两种器件均暴露在紫外灯下照射1000 h,发现CuCrO2的器件性能仅降低约10%NiO的器件性能衰减了30%,这就证明CuCrO2能够提高器件的紫外光稳定性(图4)。

该研究结果以题为Low-Temperature Solution-Processed CuCrO2 Hole-Transporting Layer for Efficient and Photostable Perovskite Solar Cells”论文发表在Adv. Energy Mater.上。文章链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201702762

该工作得到中国国家自然科学基金(51672094, 51661135023),中国国家重点研发项目(2016YFC0205002),华中科技大学自主创新研究基金,美国国家科学基金(DMR-1608279),美国海军研究办公室(N00014-17-1-2260)以及香港创新科技基金(ITS/219/16)的支持。

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1 aCuCrO2的晶体结构,(b)钙钛矿太阳能电池的结构示意图,(c)对应的能级图。

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2 a-f)分别是CuCrO2XRD图,TEM图,颗粒大小分布图,TEM图,HR-TEM图和相应的SAED图,(gCuCrO2薄膜的SEM图,(hCuCrO2薄膜的AFM图,(i)不同厚度的CuCrO2薄膜的透过率图。