Solar RRL:同质叠层结构提高准二维层状钙钛矿太阳能电池30%的光电转化效率

近年来,准二维层状有机-无机杂化钙钛矿作为一种新兴的钙钛矿半导体材料,受到了世界范围内的研究人员的广泛关注。相比较于传统的三维钙钛矿材料,在准二维层状钙钛矿中,由于有机大阳离子的引入,三维的铅碘八面体被分裂成准二维层状,同时,这也为这种新型钙钛矿带来了很多优异的材料性质和特殊的问题。例如:有机大阳离子的引入可以极大的抑制钙钛矿薄膜中的离子迁移,提高了其本征的材料结构稳定性;同时,有机大阳离子的疏水性也极大的提高了准二维层状钙钛矿薄膜和器件的湿稳定性,这对于钙钛矿太阳能电池的进一步产业化发展具有非常重要的意义。然而,有机大阳离子的量子阱和介电限域效应使得准二维层状钙钛矿有着更大的带隙和更大的激子结合能;同时,有机大阳离子的导电性差的特点也使得准二维层状钙钛矿薄膜载流子传输能力受到了很大的限制。研究者报道称,准二维层状钙钛矿材料的扩散长度和载流子迁移率仅仅为220 nm和8.9 × 10−2 cm2 V−1 s−1,远远的低于传统的三维钙钛矿材料,这也极大地限制了准二维层状钙钛矿太阳能电池光电转化效率的进一步提升。

针对这一问题,北京大学工学院周欢萍团队和合作者构建了一种四电极的同质准二维层状钙钛矿叠层太阳能电池结构,将较厚的准二维层状钙钛矿吸光层分为两个较薄的准二维层状钙钛矿吸光层,并构筑电池进行有效的连接。在保证了充足的太阳光吸收的基础上,同质准二维层状钙钛矿叠层太阳能电池可以实现更加有效的载流子分离和传输,相比较于同样的单节器件,极大的减少了载流子复合的损失。基于BA2MA3Pb4I13(n=4)准二维层状钙钛矿体系,反式单节器件实现了11.02%的光电转化效率和10.94%的稳态效率,而同质叠层太阳能电池的光电转化效率高达14.42%,稳态效率高达13.57%。相比较于单节器件,同质准二维层状钙钛矿叠层太阳能电池实现了光电转化效率30%的提升。该叠层设计的构筑可进一步拓展到其它组分的准二维层状钙钛矿材料。团队还进一步研究和证实了同质准二维层状钙钛矿叠层太阳能电池有着和单节器件同样优异的稳定性。相关文章在线发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201900083)上。