绿色溶剂实现界面优化制备高效混合型钙钛矿太阳能电池

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)在短短的几年时间内其光电转换效率(PCE)已突破22.1%,作为下一代可再生能源转换技术已经引起了世界范围内的广泛关注。与传统晶硅太阳能电池以及砷化镓,铜铟镓硒,碲化镉等薄膜太阳能电池不同的是,钙钛矿太阳能电池可实现全溶液法低温制备,有望采用廉价的印刷方式实现太阳能电池大面积低成本化,被认为是一种具有巨大应用前景太阳能技术。然而,目前在主流的溶液法制备过程中,大量使用了氯苯等有毒致癌溶剂,对环境和人身安全有潜在威胁。因此,实现钙钛矿太阳能电池的绿色安全制备对未来大面积印刷制备及应用具有重要意义。近日,来自武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室程一兵院士团队的研究人员采用了一种绿色溶剂工程的方法,在实现界面优化的同时,显著提升钙钛矿电池良性溶剂制备的效率。

武汉理工大学程一兵团队成员黄福志研究员和钟杰副研究员(共同通讯)等人通过使用良性溶剂乙酸乙酯(EA)来替换钙钛矿太阳能电池制备过程中的反溶剂和常用来溶解空穴传输材料Spiro-OMeTAD的剧毒致癌溶剂氯苯(CB),不仅提高了钙钛矿薄膜的质量,还显著提升了钙钛矿电池器件的光电转换效率,其中小面积电池效率达到19.43% (0.16 cm2光照孔径面积),小型组件效率达到 14% (5×5 cm2)。采用绿色溶剂工程同时也适用于制备大面积无针孔的钙钛矿薄膜和电池组件。性能的提升主要是由于溶剂处理后钙钛矿电荷传输提升和界面复合减少所致。

绿色溶剂的筛选

a) 常用有机溶剂的沸点和极性图.b) 常用有机溶剂对Spiro-OMeTAD的溶解图.c) 低极性溶剂萃取钙钛矿的照片图

 乙酸乙酯处理制备的5x5 cm2 钙钛矿电池组件

5×5 cm2钙钛矿电池组件的效率图;5×5 cm2钙钛矿电池组件的稳态效率输出图

该研究致力于寻找绿色溶剂实现钙钛矿太阳能电池组件,为大面积环保制备高效率钙钛矿电池提供可行工艺。值得注意的是,通过使用乙酸乙酯良性溶剂,有效的替换目前钙钛矿电池一步法低温溶液制备器件中常用的剧毒致癌溶剂氯苯,同时使得器件的效率和重复性均得到一定的提升,有助于未来实现钙钛矿太阳能电池的绿色工业化生产。

相关成果以封面文章形式发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201700576  )。第一作者为团队博士生卜童乐。