钙钛矿太阳能电池新型电子转移功能层:低温构筑与性能调控

有机-无机钙钛矿材料凭借其带隙合适、消光系数高、载流子有效扩散距离长、双极传输等优点,掀起了新型光伏领域的研究热潮。基于该材料制备出的钙钛矿太阳能电池(PSCs)效率已经达到了21% 。在PSCs中,除了钙钛矿材料本身之外,电子转移功能层(简称ETL,作用是进行界面电荷提取和传输)对于器件的性能非常重要。为获得良好的导电性且满足能级匹配的要求,构筑PSCs无机ETL通常采用结晶态半导体材料,如氧化钛、氧化锌、氧化锡等纳米晶材料。基于该构筑策略,人们通常采取高温烧结(≥ 450 oC)或者水热合成的方法(≥120 oC)进行制备。众所周知,用于光伏器件的柔性透明导电基底所能承受的加热温度十分有限(通常不高于150 oC)。针对以上问题,我们需要为ETL的低温构筑引入新的材料体系并研究其相关科学问题。AMmatingli

非晶半导体作为实用的新型电子材料受到了广泛重视并得到了迅速发展,研究和应用非晶态半导体材料不仅能够认识和解决凝聚态物理中的一些基本问题,而且也有利于推动新材料、新器件和新技术的发展。大连理工大学化学学院马廷丽教授、史彦涛副教授及其研究团队在无机ETL的制备方面取得了新的进展。为了达到进一步降低制备温度并快速转移光生电子的目的,该研究团队提出采用无机非晶态半导体材料构筑ETL的新策略。非晶态WOx可以低温制备且具有优异的导电性,但是,由于能级失配和较多的表面缺陷态,直接将其用作ETL会导致PSCs电池器件产生较低的开路电压和填充因子,且很难通过元素替位掺杂的方式调控其能带结构。为此,该研究团队通过金属离子化学修饰的方法成功调控了非晶态WOx的能带结构并抑制了界面电荷复合,最终实现无机ETL的室温制备并且获得了理想的光电性能,这为PSCs器件的低温制备提供了新思路。

相关工作部分实验测试工作由北京大学物理学院现代光学研究所王树峰副教授协助完成。研究成果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201505241;2016, 28, 1891-1897)上。