基于钙钛矿纳米线和薄膜的融合行为的高性能梯度掺杂异质结钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cell)使用铅卤钙钛矿作为光吸收材料,在近期受到太阳能电池研究领域的极大关注。相比于其他薄膜太阳能电池,铅卤钙钛矿太阳能电池具有能量转化效率高,结构简单,原料成本较低,便于大规模制备等优点。目前,钙钛矿太阳能电池的性能及稳定性是限制其进一步发展的瓶颈之一。

最近,美国布朗大学Yuanyuan Zhou、Ou Chen以及Nitin P. Padture教授等课题组基于无机钙钛矿纳米线和薄膜的融合行为, 成功实现了对空穴传输层-钙钛矿层界面的梯度修饰,有效提高了甲胺铅碘基太阳能电池的能量转换效率及稳定性。空穴传输层-钙钛矿层界面能级不匹配是限制钙钛矿太阳能电池的开路电压的主要因素之一。现有研究已经证明,通过额外的添加剂对这一界面进行修饰能够有效提高太阳能电池的能量转化效率。然而,使用高分子材料或有机分子添加剂会不可避免地增加电池结构的复杂性,不利于生产处理,并且常常将对钙钛矿薄膜的成核生长产生干扰。无机铅卤钙钛矿纳米材料具有与甲胺-铅碘相似的晶体结构及良好的分散性,允许研究者利用其调节钙钛矿薄膜的界面电势,形成与空穴传输层更加匹配的界面能级;此外,无机钙钛矿对环境中的水,氧具有较高的惰性,有利于提高太阳能电池的稳定性。

该团队首次报道了使用在反溶剂中添加铯铅溴纳米线的方法控制修饰后的表面形貌。钙钛矿纳米线分散在反溶剂之中,在钙钛矿成膜的过程中被引入到其表面,使纳米线得以融合进入钙钛矿的结构之中,形成一从薄膜表面向内部浓度逐渐降低的浓度梯度。无机钙钛矿纳米线具有与钙钛矿薄膜同源的晶体结构,故修饰后的钙钛矿薄膜的晶粒形貌未受明显影响。与此同时,纳米线结构具有较高的纵横比,其在界面处形成横向排列,导致与钙钛矿薄膜融合后具有均一的横向结构。修饰后的钙钛矿表面电势有一定提升,具有与空穴传输材料(Spire-OMeTAD)更加匹配的能级,有利于获得更高的开路电压;相比于使用钙钛矿量子点进行修饰的结果,纳米线修饰后表面电势非常均一,说明纳米线修饰的方法倾向于形成均一的界面结构,避免了表面电势不均所导致的电压损失。纳米线修饰后的甲胺铅碘基太阳能电池的能量转换效率最高可达20.18%, 显著高于未修饰时17.42%的能量转换效率以及使用钙钛矿量子点修饰时17.61%的能量转换效率。修饰后的钙钛矿太阳能电池稳定性亦获得一定提升,未封装的太阳能电池工作200小时后能量转换效率仅损失4%。本方法具有较高的可拓展性,甲胺-甲脒铅碘太阳能电池的能量转换效率在使用此方法修饰后最高可从20.92% 提升至21.37%。

研究者认为这一研究证明了界面电子性质及其均一性对于钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性非常重要;而使用纳米线对薄膜钙钛矿太阳能电池进行修饰或可成为增强界面电子性质的新方法。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI:10.1002/aenm.201900243)上。该文的第一作者为美国布朗大学博士后Yi Zhang和博士生Hanjun Yang。