Solar RRL:基于竖立生长多孔二氧化锡纳米片薄膜的高效稳定有机无机杂化钙钛矿太阳能电池

近年来,有机无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)备受关注,其光电转换效率(PCE)已突破22.7%。在传统的介孔纳米晶薄膜n-i-p结构钙钛矿太阳能电池中,多孔的纳米晶膜电子收集层既能够透光,传输电子,阻挡空穴,还能够增加电子收集层/钙钛矿层的界面接触,因而成为影响器件性能和稳定性的重要因素。目前,多数的介孔纳米晶膜结构电池都使用二氧化钛(TiO2)纳米晶作为电子收集层。然而,近期研究发现在持续的光照情况下,基于TiO2介孔纳米晶膜结构的钙钛矿太阳能电池性能劣化明显,器件中的有机无机杂化钙钛矿材料容易发生分解,这类器件性能的不稳定性制约了其潜在的实用可能性。因此,探索开发其它在持续的光照情况下稳定的半导体电子收集层对突破上述瓶颈,提高器件稳定性具有重要的意义。近日,来自澳大利亚墨尔本大学化学院的Rachel A. Caruso教授和蒙纳什大学材料科学与工程学院的程一兵教授团队合作研究出了一种利用简单一步水热法制备高结晶度、竖立生长、多孔性二维SnO2纳米片薄膜的方法,用此薄膜作为电子收集层,并结合导电富勒烯的界面优化,显著地提升了有机无机杂化钙钛矿电池的效率和稳定性。

墨尔本大学Rachel A. Caruso教授团队成员吴武强博士和陈德宏博士等人通过使用简单廉价的溶液化学方法水热合成出高结晶度、竖立生长、多孔性二维SnO2纳米片薄膜。不同于目前广泛研究的零维SnO2纳米颗粒膜,这种由高结晶度的相互交织生长的多孔性SnO2纳米片薄膜表现出高的入射光子透过率和优异的电子迁移率特性,对提高器件的光收集和电荷传输非常有利。通过在SnO2纳米片和钙钛矿层之间引入薄的C60界面层,界面处的电荷复合几率被有效地减少,进一步提升了光生电子的捕获效率和器件的光-电转换效率。值得一提的是,基于这种特殊SnO2纳米片/C60电子收集层的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率达到18.31%,未封装的器件在室温空气中保存500 小时后,仍保持原有效率的90%,展现出优越的器件稳定性。

这项研究基于对高晶化SnO2无机电子收集层复杂二维结构和界面的精细构筑,有效地提高了有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的器件稳定性和光电转换效率。研究者相信,此项研究还将会为制备其它基于无机半导体金属氧化物薄膜的低成本高效稳定光电器件提供新的思路。相关论文在线发表在Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201700117)上。

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