基于石墨炔/钙钛矿体相异质结、湿度稳定性优异的高效钙钛矿太阳能电池

近年来,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池得到了快速发展,其光电转换效率已经超过23%,并且人们对钙钛矿材料及太阳能电池器件光生载流子动力学机制的认识也逐渐深入。研究发现,钙钛矿多晶薄膜的电子、空穴迁移率有很大差异,尤其对于P型钙钛矿,其空穴迁移率远高于电子迁移率。当器件在光照时,电子在传输过程中不可避免会有一定损失。构建体相异质结是促进激子分离、提高光生载流子抽取和输运效率的有效手段之一。事实上,基于体相异质结在有机薄膜太阳能电池中的应用已经取得了巨大成功。但是将体相异质结概念应用在钙钛矿太阳能电池的工作还比较少。其中,选择合适的半导体材料(如高的载流子迁移率和合适的能带结构)是构建高性能体相异质结的关键。

石墨炔是一种spsp2杂化的π共轭体系的二维材料,表现出n型半导体特性,且拥有适当的带隙、理论上高的电子态密度及良好的疏水性。中科院物理研究所孟庆波课题组与化学研究所李玉良课题组在这一领域开展深入合作,将石墨炔引入到了FA0.85MA0.15Pb(I0.85Br0.15)3钙钛矿膜中,构建了石墨炔/钙钛矿体相异质结薄膜。在此基础上,制备了高效、水稳定性优异的钙钛矿太阳能电池。

实验表明,钙钛矿/石墨炔体相异质结的引入为光生载流子提供了一个额外的传输通道,促进了激子分离并提高光生电子的抽取能力,使得电子传输能力得到了进一步改善,电池获得了更高的短路电流。另一方面,石墨炔的引入钝化了晶界和界面,有效地抑制了光生载流子的复合,获得了相对较高的填充因子。钙钛矿电池的光电转换效率(PCE)达到了20.54%。此外,基于石墨炔/钙钛矿体相异质结的钙钛矿薄膜的抗湿性得到明显改善,器件表现出良好的水稳定性。这项工作通过构建体相异质结来加速激子分离和光生电子输运,不仅有利于提升器件性能,同时也提高了器件稳定性,为制备高效、稳定的钙钛矿太阳能电池提供了一种新方法。

相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201802012)上。