构筑高温全SnO2电子传输层及高效多孔钙钛矿电池新思路——采用Mg掺杂SnO2量子点材料

近年来,有机无机杂化MAPbX3 (X=Cl, Br和I)钙钛矿材料由于其卓越的光电性能而受到广泛关注。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,光电转换效率已经从2009年报道的3.8%迅速提高到了22.1%。

二氧化锡(SnO2)是一种很有希望的电子传输层材料,它在平面结构和多孔结构钙钛矿电池中都有重要应用。SnO2具有很多优点:比如其电子迁移率可高达240 cm2/V·s;带隙很宽接近4.0 eV;透光性好;对钙钛矿吸光材料的光催化分解作用小且化学稳定性好。多孔钙钛矿电池比平面钙钛矿电池的回滞小且相对较厚的膜层便于大面积工业化应用,这使得多孔SnO2钙钛矿电池的研究显得非常重要。但是,多孔SnO2钙钛矿电池(特别是以高温过程制备的全SnO2为致密层和多孔层的钙钛矿电池)的发展并不顺利。至目前为止,只有少数小组报道了高温全SnO2致密层和多孔层材料及相应的多孔钙钛矿电池,且电池最高转换效率仅为11.6%,这比平面结构的SnO2钙钛矿电池的令人瞩目的21%能量转换效率低太多。多孔高温SnO2钙钛矿电池能量转换效率低的原因是因为在制备多孔SnO2过程中,常常需要对多孔SnO2进行高温处理,以去除多孔层里面所含的有机物以获得好的结晶性。而高温处理过程往往使SnO2致密层的性能变差,最终拉低了整个电池的性能。在这种情况下,要得到高性能的多孔SnO2钙钛矿电池,至关重要的问题是研发出可承受高温处理的高质量SnO2致密层。

武汉大学方国家教授课题组的研究人员针对这些问题,研制了一种宽带隙MgO掺杂的SnO2量子点作为致密层(或称空穴阻挡层)。即使通过高温(500ºC)过程的热处理仍然可以得到高质量的SnO2致密层,其相应的平面结构钙钛矿电池的效率接近17%。然后,研究人员采用该镁掺杂的量子点SnO2薄膜作为致密层,用一层非常薄的高温纳米SnO2作为多孔层(500ºC热处理),再用由大颗粒的钙钛矿材料作为光吸收层来装配多孔SnO2钙钛矿电池。 这种采用全高温SnO2材料作为空穴阻挡层和多孔层的电池结构大大提高了高温过程SnO2钙钛矿电池的电子抽取效率,改善了稳定性和抑制了其I-V曲线回滞效应,使得电池性能得到大幅度提升,最高效率达到了19.2%。因此,Mg掺杂量子点SnO2薄膜的研制成功为高温过程光伏器件中电子传输层的研制和应用提供了新思路。

相关论文近期发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201706276)上。文章第一作者为熊良斌博士后。

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