科研进展简报

PCBM/CeOx双层结构作为反式平面钙钛矿太阳能电池的高效稳定电子传输层

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

长期稳定性问题是钙钛矿太阳能电池走向实用化必须解决的问题,而研究也已经表明界面层对器件的性能和稳定性均有至关重要的影响。无机氧化物材料化学性质稳定,而且导电性能级可调、价格十分低廉,作为界面材料十分有竞争力。而常见的有机金属卤化物钙钛矿材料在一定的温度(如100-150℃)或者高能离子轰击(如磁控溅射中的等离子体)下容易发生分解,这限制了在钙钛矿薄膜表面用常规方法制备无机氧化物界面薄膜。如何在脆弱的钙钛矿薄膜上方制备高质量的无机氧化物界面层成为亟待解决的问题。

最近华中科技大学武汉光电国家研究中心的陈炜教授团队发明了一种基于单分散氧化物纳米颗粒表面改性方法,改性后的CeOx可以与PCBM构成具有双层结构的高效稳定的电子传输层,成功应用于反式平面结构钙钛矿太阳能电池(图1)。电池的初始效率最高可达18.6%,在30%RH湿度下暗态保存30天,性能几乎无衰减。将同批次电池在N2气氛手套箱或30%RH的空气气氛中进行连续200小时的光照老化,对电池的最大功率点进行追踪检测,实验表明电池效率几乎无衰减。

CeOx具有较高电子迁移率(103 cm2kV-1 s-1)、能级匹配、地壳丰度高、化学性质稳定等优点。而氧化物 nanoink成膜是一种温和的成膜方式,因此制备合适的CeOx单分散纳米墨水成为了关键一步。油酸包裹的CeOx纳米颗粒在非极性溶剂中一般具有良好的分散性,通过旋涂法可以形成高质量的薄膜,但是长烷基链油酸的存在导致该薄膜导电性很差。研究者通过将长链的油酸替换为短链的乙酰丙酮,既能够保证纳米颗粒在溶剂中的分散性又能保证最终薄膜的导电性。表面改性后的CeOx可以得到完整覆盖的氧化物薄膜,其薄膜质量明显优于未修饰的CeOx。将改性后的CeOx与PCBM一起制备于钙钛矿薄膜的上层,对钙钛矿薄膜具有特殊的保护作用。对比研究表明,PCBM具有疏水性,但单独PCBM无法完成有效的阻水,通过PCBM/BCPPCBM/CeOx双层膜结构可显著增强其阻水能力。同时由于CeOx的电学性质优于BCP,CeOx可以制备得更厚,从而完成最佳的阻水效果。对应的器件在不同条件下的老化测试结果表明,PCBM/CeOx这一双层结构无论在电荷传输性、还是在化学屏蔽性方面,均具有十分优秀的特性,可保证高效器件的长期工作稳定性。通过对器件进行SIMS测试分析器件老化前后元素分布的变化。PCBM/BCP作为电子传输层的器件老化后,I离子大量溢出,而Ag则渗入钙钛矿中,而这正是导致器件性能衰减的原因。双层结构的PCBM/CeOx电子传输层,可有效抑制这一负面作用,最终使得器件稳定性得到有效提升。

该研究结果以题为[6, 6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester/Cerium oxide Bilayer Structure as Efficient and Stable Electron Transport Layer for Inverted Perovskite Solar Cells”论文发表在ACS Nano, 2018, 12 (3), 2403–2414。文章链接https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b07754

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,武汉市青年科技晨光计划(2017050304010297)等基金的支持,并致谢华中科技大学分析测试中心。

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1. a)电池结构与(b)能级示意图 (c)双层界面截面SEM照片(d)钙钛矿表面形貌(e)完整覆盖界面层后的表面形貌(f)AFM表面形貌图