“混合溶剂工程”提升可印刷碳基钙钛矿太阳能电池的效率超过14%

以价廉的石墨、炭黑、碳浆或碳纳米管等碳材料为阴极的钙钛矿太阳能电池,具有易加工、成本低且无需在手套箱里制作以及良好的重复性和稳定性等诸多优点,倍受关注。然而,与有机空穴传输层电池相比,碳基(特别是最简单的可印刷碳基)钙钛矿电池的光电转换效率依然较低。而钙钛矿层与碳材料层的接触欠佳被普遍认为是影响或限制效率提升的最重要的因素。因此,有必要获得更为平整的钙钛矿层,以保证吸光层与碳材料之间的界面更为紧密的电接触。

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为了解决此难题,香港科技大学杨世和教授领导的研究团队提出,在两步顺序沉积法中运用“混合溶剂工程”以调节溶剂极性的策略,获得了高质量的钙钛矿吸光层,并构筑了可印刷的碳基钙钛矿电池。当使用单一中等极性溶剂异丙醇溶解碘化甲胺溶液合成钙钛矿时,明显的奥斯瓦尔德熟化(Ostwald ripening)常常导致颗粒尺寸分布不规则的各种晶粒、使钙钛矿膜变得非常疏松和不平整,这很大程度上导致钙钛矿薄膜与碳电极的接触变差。他们提出:以异丙醇和环己烷的混合溶剂代替单一溶剂,称之为“混合溶剂策略”。混合溶剂的存在降低了反应体系的极性,大幅度加速碘化铅转化为钙钛矿的速度,从而有效抑制奥斯瓦尔德熟化过程,避免大尺寸晶粒的形成,最终获得平整、致密且缺陷密度低的钙钛矿层。在构筑碳基钙钛矿电池时,混合溶剂策略获得的钙钛矿层,除了由于界面接触改善而增加界面电荷转移外,还表现出更高的捕光能力和更快的载流子输送速率。他们发现,采用该策略构筑的电池的开路电压(Voc)、短路电流密度(Jsc)以及填充因子(FF),分别高达1.04 V、21.27 mA·cm2和0.65,光电转换效率(PCE)达14.38 %(如图所示);大面积(1 cm2)电池的四个指标分别达0.99 V、19.63 mA·cm2和0.50,PCE为9.72%。这些电池的光电转换效率是目前同类电池的最高值。

他们的研究表明,“混合溶剂策略”对于获得高平整度和缺陷少的钙钛矿层乃至性能优异的太阳能电池具有重要意义。这一研究成果在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201502087)上。