极性富勒烯电子传输层:实现高效、无迟滞现象的钙钛矿太阳能电池

钙钛矿晶体具备优异的光伏性能,经过几年的发展,电池的光电转换效率已超过20%。目前,高效器件通常使用二氧化钛(TiO2)作为电子传输层。但是,TiO2需要在较高的温度(> 450°C)下烧结以获得高导电的晶相,这将严重地限制了基板的选择。此外,所需的温度越高意味着生产成本将不断增加,从而减少其潜在的应用领域。一些低温合成的手段便油然而生,包括低温溶液合成的金属氧化物或原子层沉积等方法。然而,一些障碍仍然存在,例如:氧化锌导致钙钛矿晶体的分解,原子层沉积系统昂贵,金属氧化物易脆。因此,追求同时具备可低温溶液处理、良好机械灵活性和高稳定性的材料,作为传统金属氧化物电子传输层的替代品,对钙钛矿太阳能电池的研究具有重要的意义。

近期,中科院宁波材料技术与工程研究所方俊锋课题组引入极性富勒烯(C60 pyrrolidine tris-acid,CPTA),通过溶液成膜的方法,有效制备大范围均匀并致密的电子传输层。相比于传统的金属氧化物电子传输层,CPTA具备更适配的能级和高载流子传输特性,可大幅减少钙钛矿太阳能电池的迟滞现象;同时,利用CPTA与氧化铟锡导电玻璃(ITO)表面的酯化反应可有效优化弯曲强度。该高效极性富勒作为电子传输层,可分别在玻璃与柔性基板上产生18 及17%以上的光电转换效率。在玻璃基板上,放置100天后仍有原始效能的96%;在柔性基板上,弯折1000次后仍有原始效能的93%。该材料为设计和合成电子传输层提供了新思路,亦可广泛应用于便携式光伏器件。相关工作已于近期发表于Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201701144)上。第一作者为王映樵博士,现任中科院宁波材料所特聘杰出青年研究员;通讯作者为方俊锋博士,现任中科院宁波材料所研究员。

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