基于热电子注入模式的高效钙钛矿电池

随着新能源技术的发展,新型太阳能电池获得了越来越多的关注。通过溶液加工法制备的钙钛矿电池由于其光电转换效率在过去的几年里取得了突飞猛进的发展,并且适用于大规模低成本的卷对卷工艺,成为了第三代太阳能电池研究领域的“新星”。截止2014年底,获得专业机构认证的最高钙钛矿电池光电转换效率已经达到了20.1 %,超越非晶硅电池以及所有溶液法制备的薄膜太阳能电池。然而最常见的钙钛矿电池大部分制备在高温处理的TiO2薄膜之上,500 ℃的高温处理与大规模卷对卷生产是不相兼容的。低温制备TiOx薄膜更容易实现卷对卷生产工艺,但低温方法获得的TiOx薄膜中又存在着大量的晶格缺陷,这些缺陷在器件界面处形成复合中心,基于此薄膜的电池效率有待进一步的提升。

苏州大学功能纳米与软物质研究院(FUNSOM)的孙宝全教授课题组与浙江大学化学系的金一政教授课题组通过深入合作,利用热电子注入机理,提出了一种三明治的TiOx/Au NPs(金纳米颗粒)/TiOx结构作为钙钛矿电池的电子传输层,获得了16.2 %的光电转换效率。一般情况下,Au NPs可以做为近场增强单元或是入射光的散射单元,可以增强活性层薄膜对光的吸收,从而提高电池的光电转换效率。然而在钙钛矿电池中,利用传统结构引入Au NPs并没有产生类似效果。这里,他们提出了三明治结构避免了Au NPs与钙钛矿材料的直接接触,实现了钙钛矿的高效率,相关结果发表在Advanced Energy Materials上。

他们发现Au NPs的引入,在光照下能够显著改善TiOx薄膜的电学性质。Au NPs在吸收入射光后激发出高能量的热电子,这些热电子可以越过Au NPs与TiOx之间的的肖特基势垒而注入TiOx之中。注入的电子修复了TiOx导带中的缺陷态,提高TiOx薄膜的导电率。同时,注入的电子也提高了TiOx薄膜的电子浓度,降低了TiOx薄膜的功函数。在这里,由于热电子注入带来的TiOx薄膜导电性能的提升以及功函数的下降是器件效率改善的重要原因。一方面,增强的电子传输性能能够促进电荷的平衡传输,减少空间限制电荷的存在,降低体内复合,提高了器件的短路电流(JSC)和填充因子(FF)。另外,降低的功函扩大了器件的内建电场,提高了内部激子分离效率,降低体内双分子复合,也提高了电池的开路电压(VOC)。

利用热电子注入机理,通过引入Au NPs构建三明治结构的TiOx/Au NPs/TiOx电子传输层,光照下由热激发产生的电子对TiOx薄膜缺陷态进行修复,这为今后TiOx在光电器件中的应用提供一个新的思路。Untitled