高效率平面异质结钙钛矿太阳电池

钙钛矿型甲胺铅碘薄膜太阳电池(简称钙钛矿太阳电池)是最近几年才出现的光伏技术,其光电转化效率提升的速度十分迅猛,被《科学》(Science)期刊评为2013年十大科学突破之一。目前韩国KRICT报道的钙钛矿太阳电池效率达到20.1%,远远超过其他类型的新概念太阳电池,而其与传统个硅电池相比更便宜、更易生产。但与高晶体品质的单晶硅太阳电池相比,通过溶液法等低成本制备方法获得的钙钛矿太阳电池,其中存在的大量的结构无序、结构缺陷以及复杂的表界面效应。钙钛矿太阳电池经历了全固态染料敏化太阳电池,超薄吸收层和量子点敏化太阳电池的结构向固态薄膜钙钛矿太阳电池发展,演化成为类似平面异质结结构,回归到目前已经成熟的薄膜太阳电池的制备工艺。如何通过简单的方法制备高效率平面型钙钛矿太阳电池一直是受到广泛关注的重要研究方向。Smallbozhishan

北京师范大学化学学院薄志山教授研究团队将[6,6]-苯基-C61-丁酸(PCBA)自组装单层膜作为致密TiO2层的界面修饰层制备了平面异质结钙钛矿结构的太阳电池,效率达到17.6%,电压最高可达到1.16V。器件结构为FTO/cTiO2/PCBA/CH3NH3PbI3/spiro-oMeTAD/Ag。通过对比实验可以看出,PCBA修饰后,器件的光电转换效率可以有80%的提高,从7.46%提高到了13.33%,填充因子和短路电流密度有了大幅度的提升。PCBA是PCBM的衍生物,与PCBM一样有着电子迁移率高的特点,有利于TiO2表面电子的抽提与传输。和PCBM相比,PCBA羧基可以和二氧化钛的表面形成化学键,自组装成单分子层。并且其在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的溶解度相当小,解决了旋涂钙钛矿的DMF溶液时,富勒烯衍生物(如PCBM)界面层易被洗去的问题。因此PCBA作为空穴阻挡层降低了界面空穴的复合,并增强电子传输层对于电子的抽提。另一方面,在PCBA修饰过的TiO2表面,用一步溶液法就制备孔洞更小更少,表面覆盖率更高,晶体质量更高的钙钛矿薄膜,这样电池的串联电阻也更低。更重要的是,PCBA合成简单,通过旋涂就可自组装成膜,修饰方法也很简易。相关论文在线发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201503361)上。

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