Advanced Science:NiO/钙钛矿异质结调控实现高效稳定反式平面钙钛矿太阳能电池

钙钛矿材料凭借光吸收系数高、带隙可调、扩散长度长、载流子迁移率高、可溶液加工等优异的物理化学性质在太阳能电池、发光二极管、X射线探测等光电器件领域中展现出了巨大的潜力。尤其是杂化钙钛矿太阳能电池效率已提升至25%,叠层电池28%以上,已达到可商业化标准。但是如何兼顾转换效率及稳定性仍是一个难点。钙钛矿电池的稳定性与钙钛矿材料薄膜本身及传输层和界面层的选择有着至关重要的关系,如何通过材料和器件的设计来进一步提升其稳定性,是促进钙钛矿电池进一步发展和产业化的关键。

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为了有效的减小因NiO与钙钛矿晶格参数和热膨胀系数不同造成的晶格失配、应力产生,基于NiO/钙钛矿异质结,提出通过引入失配度小的界面缓冲层材料CsBr来有效的缓解晶格扭曲造成的界面张力及缺陷,实现了低缺陷高质量钙钛矿晶体薄膜的制备,进而提升了界面电荷转移,抑制了缺陷造成的电荷复合,并显著提升了器件的性能及稳定性。作者通过理论和实验探索了界面缓冲层材料对异质结界面性能影响的详细机制。研究结果表明相比于NiO,缓冲层和钙钛矿拥有更相近的晶格常数和热膨胀系数,从而导致钙钛矿晶体薄膜在形成过程中承受少的晶格应力和畸变,因此,晶格失配度更小的界面缓冲层材料的引入使得钙钛矿的晶格应力得到部分释放,优化后的界面结构更加稳定,同时界面缓冲层可以诱导更有序的晶体结构和晶体取向,有效的减少氧化镍/钙钛矿的界面间隙态,提高界面的最小电荷密度(从0.09e/Å2 提高到0.14e/Å2)和电荷转移量(从0.66e到0.89e)。同时,器件的稳定性也得到了改善,未添加溴化铯缓冲层器件的PCE在900小时后降至初始效率的65%,而用溴化铯修饰的器件在同一时期内仍保持初始效率的82%。综上所述,引入晶格失配度小的界面缓冲层材料的方法简单、有效且具有一定的普适性,它为高效稳定的钙钛矿太阳能电池发展提供了新的思路。同时该方法可与低成本的柔性能源器件兼容,并且可以加快钙钛矿型光伏技术的未来商业化进程。相关论文在线发表在Advanced Science, 2020, 1903044 (DOI: 10.1002/advs.201903044) 上。以上研究得到了国家自然科学基金,陕西省自然科学基金,国家高层次人才支持计划,中国科协青年人才托举工程等项目的资助。

.图1. a) 基于界面缓冲层的NiO/钙钛矿界面最优结构;b) 不同氧化物/钙钛矿异质结的差分电荷密度和bader电荷;c) 氧化物/钙钛矿异质结的电荷密度;d)时间分辨荧光光谱;e)最优器件的J-V曲线;f)器件的稳定性数据。