载流子传输层能级调节制备高效锡铅混合钙钛矿太阳能电池

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池由于其直接带隙、吸光系数大、载流子寿命长、制备成本低等优点,被视为是最具潜力的新型太阳能电池。钙钛矿的化学式为ABX3,通过调节A、B、X的组分,可以使带隙在1.17-3.1eV之间的较宽范围内调节。由于钙钛矿带隙的可调节性,可以将其做成叠层太阳能电池,使得其能量转换效率有望超过肖克利-奎伊瑟极限。叠层太阳能电池常常由宽带隙的钙钛矿材料和窄带隙的铅锡混合钙钛矿材料组成。

尽管铅锡混合钙钛矿方面的研究已经有了较为明显的进展,但是其相比于纯铅的钙钛矿材料仍有一定差距。铅锡混合钙钛矿面临的主要问题来源于其开路电压明显低于理论预期值,这一问题主要是由能级失配、锡易被氧化、界面缺陷等因素导致的。

图1(a)掺杂前及掺杂PFI后的PEDOT:PSS的紫外光电子能谱(UPS)测试结果;(b)掺杂前及掺杂PFI之后的铅锡混合钙钛矿界面的稳态荧光光谱(PL)测试结果;(c)FAMA反式钙钛矿太阳能电池的器件结构示意图;(d)各层的能级示意图。

上海科技大学宁志军课题组针对能级失配问题进行了深入的研究,通过将一种四氟乙烯与全氟-3,6-二氧-4-甲基-7-辛烯磺酸的共聚物(PFI)掺杂入传统的空穴传输层材料聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS),利用氟原子的高电离电势能来提高PEDOT:PSS表面的偶极矩大小,可以有效提高空穴传输层的功函数,使之与铅锡混合钙钛矿材料实现更好的能级匹配,从而显著提高开路电压。研究人员将PFI与(PEDOT:PSS)以1:16的摩尔比进行混合,可使掺杂后的空穴传输层的功函数达到-5.19eV,比掺杂前降低了0.17eV,更加接近铅锡混合钙钛矿材料的-5.22eV的价带能级。通过对空穴传输层的功函数的调节,可以有效减少因为能级失配带来的载流子复合,从而将开路电压提高50mV,使得能量转化效率高达15.85%。该研究证明了空穴传输层的能级调节是提高铅锡混合钙钛矿太阳能电池的有效策略,为后续的研究拓宽了思路并提供了重要的参考。相关论文在线发表在Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201800256)上。

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