Solar RRL:无电子选择层结构的高效钙钛矿太阳电池

limeicheng近年来,钙钛矿太阳电池发展迅速,其光电转换效率快速提升,在光伏领域引起了人们极大的研究兴趣。钙钛矿太阳电池主要分为介孔结构和平板结构,通常被认为都是基于p-i-n异质结而工作的。介孔结构太阳电池一般由导电玻璃、n型电子选择层、介孔骨架层、i型钙钛矿光吸收层、p型空穴传输层和金电极组成。而平板结构钙钛矿太阳电池相对于介孔结构简化了高温烧结的TiO2或Al2O3骨架层,但也同样能实现较高的性能。其中,作为光吸收层钙钛矿薄膜,由于具有双极性的载流子传输特性,也可以同时设计成载流子传输层,这为进一步简化器件结构、工艺流程并获得高效的钙钛矿太阳电池提供了可能。在平板结构钙钛矿太阳电池中,去除TiO2电子选择层可以有效避免高温处理、简化制备过程,且增强器件的稳定性,有利于推进钙钛矿太阳电池的商业化进程。但这种结构中的钙钛矿层(CH3NH3PbI3等)由于多为本征的i型,无法有效地选择载流子,电子和空穴都会被传输并通过钙钛矿与导电玻璃的界面,复合较大,并且不能有效阻止空穴的传导,因此器件效率低下。如果能够有效解决这种结构中的载流子选择问题,并提高钙钛矿层的覆盖率、减少针孔引起的漏电,器件的性能就可能得到大幅提高。

华北电力大学可再生能源学院李美成教授课题组针对这一问题通过自掺杂连续调控钙钛矿(CH3NH3PbI3)的载流子传输特性(p/n型),获得了n型的高质量的钙钛矿薄膜,并与p型的空穴传输层组合构建了有效的p-n异质结,实现光生载流子的有效抽取与分离,从而制备出高效无电子选择层结构的钙钛矿太阳电池,光电效率达到了15.69%。

CH3NH3PbI3材料的载流子传输特性可以通过对其晶体生长过程条件的控制来实现在p型和n型之间连续调节。研究者通过一系列精细的钙钛矿退火过程调控,实现了其自掺杂特性的连续调控,即钙钛矿的载流子传输特性的可控调节。在本项工作中,研究者制备出了梯度自掺杂的CH3NH3PbI3薄膜,分别与spiro-OMeTAD结合构建p-n异质结结构,随着CH3NH3PbI3薄膜n型程度的增加,内建电场也显著增强,从而增强相应器件的开路电压。同时,通过引入混合的非极性质子溶剂,获得了致密且大晶粒的高质量钙钛矿薄膜。基于这些,研究者获得了高效的无电子选择层结构的钙钛矿太阳电池。这种简化钙钛矿电池结构、同时获得高性能器件的方法为钙钛矿电池的优化设计提供了新的思路。相关结果发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201600027)上。

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