Advanced Functional Materials: 溶液法制备叠层钙钛矿薄膜助力获得高效稳定太阳能电池

进入信息化时代,电力资源在我们的生活中扮演着越来越重要的角色。伴随着电力的大范围应用,非可再生能源的储量日益减少,太阳能、风能等可再生能源越来越受到人们的重视。其中,太阳能的开发应用得到了广泛的研究。近年来,一种新型的太阳能电池——钙钛矿太阳能电池成为研究人员的宠儿。钙钛矿材料优异的光电特性使得基于该薄膜的太阳能电池器件具有宽的光谱响应范围、高光吸收数和光电转化量子效率。现阶段,研究人员通过在前驱体溶液中引入添加剂改善钙钛矿薄膜的致密度、平整度和钝化晶界缺陷等使得太阳能电池器件的性能获得大幅度提升。但由于材料本身特性(如带隙、载流子传输等)的限制,进一步提升由单一钙钛矿薄膜所制备的太阳能电池的性能空间非常有限。为了打破这一限制,使用多层薄膜复合的方式是一个理想的手段。基于此方法,可以将具有不同带隙或晶粒尺寸的钙钛矿薄膜叠加,形成具有一定特性差异的复合薄膜, 从而拓宽薄膜的光谱吸收范围、提高载流子迁移率和促进载流子传输平衡, 获得高效的太阳能电池器件。然而,对于相对简单的溶液法薄膜制备来说,现有的方法很难制备出叠层薄膜,主要因为难以找到一种合适的溶剂,可以对不同特性的钙钛矿材料在其中存在比较大的溶解度差异。这种溶解性差异,可以保证在制备后一层钙钛矿薄膜的时候,不会对已形成的钙钛矿薄膜产生比较严重的破坏。因此,寻找到合适的溶剂是解决这一问题的关键。

为了制备叠层钙钛矿薄膜,哈尔滨工业大学(深圳)材料学院邓先宇课题组使用苯胺做溶剂,溶液法制备出了具有晶粒尺寸和光电特性差异性的叠层钙钛矿薄膜,实现了钙钛矿太阳能电池性能的显著提升。在叠层薄膜制备过程中,该团队人员首先使用CH3NH3PbI3与二乙胺盐酸盐(DEACl)完全溶解的澄清苯胺溶液旋涂沉积具有纳米尺寸的钙钛矿薄膜;随后将单一CH3NH3PbI3难溶解的苯胺胶体悬浊液刮涂在纳米钙钛矿薄膜上,通过抽滤、退火处理得到叠层钙钛矿薄膜。薄膜的测试表明,叠层薄膜的光吸收和结晶取向性都得到了显著提升;更重要的是,叠层薄膜有效改善了电子-空穴的传输平衡,增加了薄膜内光生载流子的寿命。这些薄膜特性的改善,显著提升了钙钛矿太阳能电池的性能:反式平面异质结太阳能电池器件的效率由13%增加到18%,最后通过引入界面修饰层,器件的光电转化效率达到20.65%。

研究者相信,这是一种相对简单的制备叠层钙钛矿薄膜的办法,为进一步提升钙钛矿太阳能电池的性能提供一条可行的参考途径。相关论文于2019年9月在线发表在《Advanced Functional Materials》上 (DOI: 10.1002/adfm.201903330) ,题为 “Solution‐Processed Laminated Perovskite Layers for High‐Performance Solar Cells”, (Adv. Funct. Mater. 2019, 1903330)。