科研进展简报

基于不同费米能级电子传输层的高效率钙钛矿太阳能电池

来源:武汉光电国家研究中心    作者:能源光子学功能实验室    发布时间:2018年07月16日

   5月21日,美国化学会(American Chemical Society)旗下期刊《Nano Letters》(纳米快讯,IF=12.08)刊发了武汉光电国家研究中心在太阳能电池领域内的最新研究成果。此篇题目为《基于分级双电子传输层的高效率钛矿太阳能电池究》(Highly Efficient Perovskite Solar Cells with Gradient Bilayer Electron Transport Materials)的论文由武汉光电国家研究中心的博士生龚秀、孙强等在王鸣魁教授的指导下完成。

   金属卤化钙钛矿ABX3具有出色可见光吸收能力、较长的载流子扩散长度等优异的光电性能,成为了最有前景的薄膜太阳能电池材料之一。这类优异材料所制成的太阳能电池光电转换效率(PCE)从最初的3.8%(2009年)提高到今天的近23%,几乎可媲美硅电池。目前钙钛矿材料器件开路电压(VOC)仍低于理论预测值。VOC取决于几个因素,其中包括ELT和钙钛矿光吸收材料之间的能级差。为了提高VOC,必须获取具有较好能带匹配的功能界面传输材料,在加速载流子的提取和传输同时避免能级匹配问题。这就要求在开路下钙钛矿薄膜器件电子准费米能级必须高于ETL电子能级。如何获取低界面载流子复合速率、高导电性的新型ETL是获得高效率器件的前提之一。

  华中科技大学/武汉光电国家研究中心研究人员采用梯度氟掺杂氧化锡(F:SnO2)新型双层ETLs材料。通过溶液处理技术引入双层电子传输层和构筑高效率钙钛矿太阳能电池。双层ETLs薄膜分别在380℃,180℃的空气中热退火1小时以进一步控制每个单层F:SnO2的载流子浓度。双层ETL具有高电导率和低界面载流子复合率的特点,并通过载流子浓度差诱导增强内置电场(图1)。实验结果表明F:SnO2的光学带隙随着温度和F掺杂水平的升高而略微变宽。研究人员认为“这些结果可解释为费米能级提升,伴随电荷浓度增加,根据'Burstein-Moss'效应表现为导带中满带不断填充”。在AM 1.5 (100 mW cm-2) 光强下,对太阳能电池的光电流密度-电压的测量结果显示,器件的VOC随着F掺杂水平的提高而提升。对于在180℃和380℃退火处理的器件,其开路电压分别从1.03和1.04提高到1.1和1.14 V。“这一结果清楚地表明VOC和ETL的电子费米能级紧密相连,即F掺杂导致费米能级的上移,有效降低F:SnO2 ETL和钙钛矿之间的能带偏移,从而实现VOC增加。” 能带良好匹配减少了界面电荷转移的能量损失基于双ETLs器件的PCE达到20.2%,VOC为1.13 V(图2)。这一结果将为大规模高性能钙钛矿太阳能电池的生产提供一种可行的方法,即在一个工艺里生产透明导电基板时在其上面制造不同载流子浓度的电子传输层材料。

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1 a-bF掺杂SnO2薄膜的制备;(c-dF掺杂SnO2纳米粒子的TEM;(e-f)基于不同退火温度和不同F掺杂浓度F:SnO2 薄膜的带隙和费米能级的变化。

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2 a)双电子传输层(bilayer ETLs)的载流子扩散图;(b)基于bilayer ETLs的钙钛矿电池的光电流-电压输出曲线,插图为光照下器件的能带图。

 

 文章链接https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b01440 Nano Lett.  18, 6, 3969-3977)。本工作得到了国家自然科学基金项目(No. 21673091)项目的支持。