Solar RRL:界面钝化工程助力高效稳定反式钙钛矿太阳能电池

近年来,钙钛矿材料作为一种新型的光电材料,在光电器件领域一直得到大家广泛的关注。钙钛矿器件效率从2009年的3.9%增加到25.2%,这一性能可媲美传统的硅电池。尽管钙钛矿材料具有优异的光电特性,廉价易得,溶液易加工等优点,但其稳定性是限制其商业化发展的主要因素之一。二维(2D)钙钛矿材料具体良好的稳定性,但其层状结构和较大的禁带宽度使得其器件效率成为其发展的瓶颈。众所周知,通过引入大的有机阳离子能够促使二维和三维钙钛矿之间的转变,形成稳定的2D/3D钙钛矿异质结。然而,迄今为止,2D/3D钙钛矿异质结器件效率发展较为缓慢,高效稳定的钙钛矿太阳能电池器件一直是目前研究的重点和热点。

图 1. (a) 器件制备工艺过程;(b) 钝化作用原理示意图; (c) 钙钛矿薄膜的XRD图;(d) 钙钛矿薄膜的PL图;(e) 钙钛矿薄膜的TR-PL图;(F) 钙钛矿薄膜的GIWAXS图;

西安电子科技大学微电子学院郝跃院士团队的常晶晶教授等人通过采用低浓度的PEAI钝化钙钛矿表面,并通过DMF极性溶剂使得PEAI钝化纵向扩散,同时基于NiOx空穴传输层实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池,在反式平面钙钛矿太阳能电池器件中取得22.18%的效率和超高的填充因子83.6%。研究表明通过采用低浓度的PEAI溶液界面修饰,避免过量的2D钙钛矿材料的形成影响电荷的传输,同时添加适量的DMF极性溶剂,促使二维钙钛矿的纵向分布扩散,进一步提升对钙钛矿的钝化作用。同时,界面修饰能够有效地改善钙钛矿质量,降低钙钛矿薄膜缺陷态,促进了钙钛矿层与传输层的能级匹配,进而抑制载流子的非辐射性复合,提升器件的性能。在稳定性方面,2D/3D钙钛矿异质结器件展现出良好的光照稳定性和长期稳定性,在湿度~50%条件下放置1000小时,仍能保持初始效率的92%。为了进一步验证实验的可重复性,研究组同时基于PEDOT:PSS和NiOx空穴传输层制备太阳能电池,器件效率均有显著的提升,证明了这一方法能够有效地提升钙钛矿太阳能电池器件的效率和稳定性,为高效稳定的钙钛矿太阳能电池发展提供了新的思路。

相关论文在线发表在 Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201900293)上。