提高平面钙钛矿太阳能电池转化效率和消除迟滞效应的新思路

随着全球人口的急剧增长,以及世界经济水平的不断提升,人类社会消耗的能源总量不断增加。以煤炭、石油、天然气为主的传统能源,不仅会在生产和消费过程中带来严重的生态污染和全球变暖的环境问题,还会因自身储量有限和不可再生性在不久的未来消耗殆尽。发展可再生能源的任务迫在眉睫。

太阳能是可再生能源的一种,而太阳能电池可以直接将太阳能转化为电能,不仅可以保障能源的供应安全,还能避免传统能源在生产和消费过程中带来的环境问题。近年来,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因其转化效率高、成本低、制备方法简单、方便应用于柔性衬底的优点而广受关注,成为太阳能电池研究领域中的热点。虽然目前钙钛矿太阳能电池的转化效率已经达到了22.1%,但大部分电池仍存在迟滞效应。迟滞效应是太阳能电池在测试过程中,正向(从负电压到正电压)及反向(从正电压到负电压)扫描的电流密度-电压曲线出现不完全重合的现象,这不仅影响了测试的准确性,也严重降低了钙钛矿太阳能电池的实际性能。关于钙钛矿太阳能电池的迟滞效应产生的原因及其消除的方法,仍然需要深入的了解和分析。

AENM-yanyanfa

近日,美国托莱多大学鄢炎发教授课题组、武汉大学赵兴中教授课题组与美国国家可再生能源实验室姜春生博士和 Dr. Mowafak Al-Jassim课题组合作,深入系统地研究了平面正结构钙钛矿太阳能电池中迟滞效应产生的原因,为提高平面钙钛矿太阳能电池转化效率和消除迟滞效应提供了新思路。通过开尔文探针力显微镜对器件截面的电势分布进行分析,研究人员发现,电子传输层/钙钛矿光吸收层/空穴传输层界面的电荷输运极其不平衡。这是由于低温原子层沉积方法制备的二氧化锡层为无定形结构,电子传输能力远低于有机空穴传输材料(spiro-OMeTAD)的空穴传输能力,致使太阳能电池中的电荷输运不平衡,进而产生迟滞效应。通过对二氧化锡层进行低温热处理,能够提高其电子传输能力,进而有效收集电池中的光生载流子。经过优化,研究人员消除了由二氧化锡电子传输层带来的平面钙钛矿电池中的迟滞效应,电池的最大稳态输出效率达到了20.3%。该研究表明,电荷传输层的导电性和电池中的电荷输运的平衡性,是制备高效率、无迟滞效应的平面钙钛矿太阳能电池的重要因素。

本论文发表于Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201700414)上,通讯作者为鄢炎发教授和赵兴中教授,共同第一作者为武汉大学的博士研究生王长擂(现为美国托莱多大学的访问学者)及美国科罗拉多矿业大学/美国国家可再生能源实验室的博士研究生肖传晓。

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