Solar RRL:溶剂工程“双效应”–钙钛矿光伏电池大尺寸晶粒和界面调控的同时实现

近年来,钙钛矿吸光材料凭借其合适的光学带隙、长的载流子扩散距离以及较强的光吸收等优势,在太阳能电池领域掀起巨大的研究热潮。在不足十年的时间内,钙钛矿太阳能电池的效率已大幅提高至22.1%,被称为光伏产业的“明日之星”。钙钛矿薄膜的结晶质量以及不同膜层之间的界面接触作为两个相对独立的因素对器件性能的影响至关重要。虽然基于新的制备方法或采用溶剂工程等已获得大尺寸的钙钛矿晶体或界面接触良好的器件,但是想要同时实现晶粒尺寸大且不同层间界面接触良好的电池却显得非常困难。因此,如何有效地解决以上难题将进一步推动钙钛矿太阳能电池的向前发展。

近期,西北工业大学材料学院纳米能源材料研究中心李炫华课题组基于平面结构钙钛矿太阳能电池ITO/TiO2/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Au,通过在空穴传输层Spiro-OMeTAD中引入共溶剂DMSO溶液,将该混合溶液旋涂在钙钛矿薄膜上形成空穴传输层,最终可获得一种“双效应”钙钛矿太阳能电池,即同时实现钙钛矿晶粒尺寸的增大以及空穴传输层与钙钛矿光吸收层之间的良好接触,制备的钙钛矿太阳能电池效率相比标准器件增加26.9%。研究分析知,DMSO的存在会溶解少量的钙钛矿薄膜,因此在旋涂过程中部分Spiro-OMeTAD会渗入到钙钛矿薄膜中,最终呈现出钙钛矿-Spiro-OMeTAD的异质结构,独特的梯度异质结构改善了界面间接触,调节了带隙,提高了空穴的收集效率。同时,DMSO中的孤对电子能捕获钙钛矿晶界处的CH3NH3+,将H+质子化,最终导致大尺寸钙钛矿晶粒的生长,提高钙钛矿薄膜的光吸收强度。相比于传统的钙钛矿光伏电池,该“双效应”电池在光学和电学性能上均得到大幅改善,器件表现出极好的重复性。基于该方法,采用其他空穴传输层制得的器件也表现出优异的光电性能。因此,在空穴传输材料中引入共溶剂DMSO的方法具有很好的普适性。相信该项研究内容为发展高效的钙钛矿太阳能电池提供了新的思路。

相关工作发表在Solar RRL上 (DOI: 10.1002/solr.201800027),第一作者为西北工业大学材料学院博士生王双洁。

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