Solar RRL:0.1%的超低浓度超细金颗粒嵌插大幅度提升钙钛矿型太阳能电池中氧化镍层的空穴传输能力

在过去几年中,钙钛矿型太阳能电池得到了爆发式的发展。目前最高的认证转化效率已达到23.7%,稳定性测试超过1000小时衰减2%以内。在各式各样的钙钛矿太阳能电池结构中,p-i-n型反式结构电池具有一些独特的优势,如极小的迟滞现象和在紫外光下良好的稳定性。典型的p-i-n型反式结构钙钛矿太阳能电池由透明导电玻璃/空穴传输层/钙钛矿吸光层/电子传输层/金属电极组成。在众多空穴传输层材料中,氧化镍因为其匹配的能带位置,较高的载流子迁移率和大规模制备便利性,具有较好的前景。但是氧化镍薄膜的载流子传输能力在现阶段仍不尽如人意。关键问题之一在于其空穴浓度较低。这就限制了基于氧化镍材料的钙钛矿型太阳能电池的最终转化效率。

香港科技大学&北京大学深圳研究生院杨世和课题组的副研究员肖爽博士将极低浓度、极小的金纳米颗粒嵌入了氧化镍空穴传输层,利用金-氧化镍异质结的欧姆接触特性,将氧化镍内部的载流子浓度增大了3倍,并系统地研究了该类复合传输层材料的物理性质和在太阳能电池器件中的应用。不同于常规的金属阳离子掺杂和传输层结构优化提升氧化镍层空穴传输能力。金纳米颗粒嵌入法可以避免掺杂引起的分相问题和过薄氧化镍层引起的漏电问题。该设计利用金的功函数低于氧化镍价带位置的性质。当金-氧化镍直接接触,氧化镍中的电子注入金中以拉平两侧费米能级;同时,氧化镍中的空穴浓度也会提升以保持其内载流子分布平衡。因为耗尽层厚度在氧化镍中可达微米级,故获得足够空穴浓度提升所需的金颗粒浓度仅为0.1%。利用嵌入金纳米颗粒的氧化镍传输层制备的钙钛矿型太阳能电池性能可以超过20%,相对于使用常规氧化镍层的电池(17.8%)有超过2%的绝对效率提升。此外,极低的金颗粒浓度还保证了这一方法在工业应用上的低成本与可行性。

研究者相信,此项研究将会为利用多种金属颗粒调节传输层物理性质方面的研究打开了新的大门,并为最终提升钙钛矿太阳能电池的转化效率与大规模商用添砖加瓦。相关论文在线发表在Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201800278)上。