Advanced Functional Materials:磁场以及磁性纳米粒子复合薄膜改善钙钛矿光伏器件的性能

在众多对太阳辐射的使用中,太阳能光伏发电被认是为最经济有效的。可溶液加工、高效和低成本的有机无机杂化卤素钙钛矿太阳能电池便被认为新近最具有发展潜力。过去近十年,钙钛矿太阳能电池的能量转换效率得到了突飞猛进的提升,由最初的3.8% 到现在已认证的25.2%。当前的效率与Shockley-Queisser的极限值(CH3NH3PbI3的效率31%)还有部分差距,仍然还有大部分空间值得科研学者去挖掘。该差距主要源于钙钛矿薄膜中的缺陷诱导的载流子复合、载流子传输层的能级的不匹配以及对器件物理基础知识缺乏深刻的理解。

我们发现磁性纳米粒子的加入可以减少电荷载流子复合和电荷载流子传输阻力,增强的电荷载流子迁移率,从而增强光电器件的效率。因此我们首次向钙钛矿薄膜中加入磁性纳米粒子Fe3O4,并对其加入定向的外置磁场,实现了高性能的钙钛矿太阳能电池和高响应的光电探测器。GIWAX结果证实了磁性纳米粒子Fe3O4存在钙钛矿薄膜中,该钙钛矿具有尺寸更均匀的粒子和更全的覆盖面,并且加入外置磁场,具有几乎完全覆盖的钙钛矿薄膜。同时优化后的钙钛矿: Fe3O4混合薄膜具有更高的载流子迁移率、减少的缺陷密度。再者,加入外置磁场后,基于该混合膜的光伏器件展现出了抑制的载流子复合和短的载流子提取时间,太阳能电池效率由17.69%提升到20.23%,制备的光电探测器获得了858 mA W-1的光响应、超过1013 Jones的光探测率和在室温下的线性动态范围超过160 dB。 我们相信,此项研究将会为磁性纳米粒子及外置磁场在光伏器件的研究提供一些新的理解,拓宽了钙钛矿光伏领域的发展,也为有意在磁性纳米粒子与钙钛矿光伏相结合的方向奠定一定的基础。此工作由徐文战和朱焘博士生共同完成。 相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202002808)上。