Solar RRL:提高钙钛矿电池效率和稳定性新思路——采用金属硫化物空穴传输材料

21世纪人类面临的重大难题之一是能源问题,人类赖以生存的煤、石油、天然气等不可再生资源已经日渐枯竭,寻找新的能源也成为了相关科研工作者的奋斗目标。太阳能作为一种干净无污染的可再生能源,具有其他燃料能源无可比拟的优点,太阳能电池作为将太阳能转化成电能的光伏器件得到最为广泛的研究。近年来,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因其效率高、成本低而受到广泛专注,短短数年之间,效率已经从2009年首次报道的3.8%提高到了22.1%的光电转换效率。

虽然钙钛矿电池取得了优异性能,但是长期以来制约其商业化的一个难题是其稳定性问题。钙钛矿本身对湿度敏感,易分解,而且钙钛矿电池中常用的spiro空穴传输层会加速器件的降解。Spiro材料本身的空穴迁移率很低,为了增加其迁移率通常需要使用无机Li盐类的添加剂,而这种添加剂非常亲水,又容易在spiro薄膜中发生迁移形成大量孔洞,导致空气中水分的渗入或者Au电极与钙钛矿的直接接触,引起器件性能的快速衰减。

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武汉大学方国家教授课题组与中科院化学所李永舫院士、张志国教授课题组合作,研究人员通过真空热蒸发法在spiro薄膜表面引入一层无机p型空穴传输材料硫化铜(CuxS, x=1.75),制备出了高品质的空穴传输薄膜和高性能的钙钛矿电池器件。CuxS薄膜常温沉积,无需后退火,具有很高的空穴迁移率(4.47 cm2 V−1 s−1),提升了器件的空穴抽取效率。更为重要的是CuxS平整致密,可以填充spiro薄膜表面因Li离子迁移引起的孔洞,而且其具有优异的疏水性(水接触角91.64°),可以抵抗空气中的水分侵蚀,大大提高了器件在潮湿空气中的稳定性。基于CuxS的钙钛矿电池光电效率达到了18.58%,在湿度40%的空气中保存1000小时可保持90%以上的初始效率。研究者相信,高迁移率、高疏水性的无机p型金属硫化物半导体材料的引入将会为提高钙钛矿电池的效率和稳定性提供新的思路。

相关论文于近期发表在Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201700038)上。

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