Solar RRL:基于梯度异质结构实现高效稳定锡钙钛矿太阳电池

有机-无机杂化钙钛矿是下一代光伏器件的理想材料,近年来在光伏领域备受关注。然而,铅钙钛矿引发的毒性问题成为其大规模应用的主要障碍。为此,研究者们开发了锡(Sn),锗(Ge),铋(Bi),锑(Sb),铜(Cu)等元素取代铅以制备非铅钙钛矿太阳电池。其中,锡钙钛矿由于其接近Shockley–Queisser极限的理想带隙及高载流子迁移率已成为最具研究潜力的非铅钙钛矿材料,但鉴于锡钙钛矿本身较大的电荷复合损失,其器件性能特别是开路电压仍然落后于铅钙钛矿太阳能电池。

研究表明,Sn2+转变为Sn4+的氧化过程是热力学自发的,易在锡钙钛矿内部产生缺陷态,成为光生载流子非辐射复合的主要路径。为抑制Sn2+的氧化,诸如SnF2,SnCl2,吡嗪,羟基苯磺酸等还原性添加剂可作为牺牲剂引入到锡钙钛矿以防止氧化并提高载流子寿命。此外,界面能带不匹配也是造成锡钙钛矿电池电压损失的主要原因,锡钙钛矿与常用电子传输材料间的能级失配抑制了器件内部准费米能级分裂,并加速了异质结界面处的载流子复合。

在锡钙钛矿中引入大尺寸有机阳离子,包括正丁基铵(BA),苯乙铵(PEA)和胍(GA)等可形成低维宽带隙锡钙钛矿,有效稳定Sn2+并减少锡钙钛矿太阳电池的能级失配,所形成的2D-3D钙钛矿体异质结能够有效提高电池性能。然而,吸光层体异质结中低维结构的分布较难控制,且大尺寸有机阳离子引起的量子阱效应严重影响了载流子的传输与分离,造成器件光伏性能的损失。因而,合理设计能带结构提高载流子传输能力并改善与电子提取层的接触可有效提升锡钙钛矿太阳电池的效率。

上海交通大学韩礼元教授课题组首次报道通过构建钙钛矿梯度异质结的方法来优化钙钛矿/电子传输层界面,以制备高效稳定的锡钙钛矿太阳电池。该梯度异质结通过反溶剂法制备的FASnI3钙钛矿与4-(三氟甲基)苄基铵阳离子(TFBA+)间的离子交换反应得到,其中异质结内部的主要成分是窄带隙锡钙钛矿,宽带隙锡钙钛矿由内部至表面呈梯度分布。实验结果与理论计算表明,该梯度异质结从内部至表面,锡钙钛矿的带隙呈梯度分布,且价带位置逐渐降低,因此可有效提取钙钛矿/电子传输层(C60)界面处的光生载流子,降低钙钛矿薄膜的缺陷态密度,同时形成能量势垒抑制空气中Sn2+的氧化。基于上述优势,最终制备的器件开路电压提高120 mV,并获得约11%的光电转换效率。此外,优化后的器件表现出优异的工作稳定性,最大功率点处连续光照500小时仍可保持高于10%的效率。该工作为提高锡钙钛矿太阳电池的光电压提供了全新的思路,即通过精确控制锡钙钛矿的相分布及能带结构改善界面电荷传输,减少缺陷同时抑制Sn2+氧化。该方法可应用于其他锡钙钛矿或铅锡共混钙钛矿太阳电池以提升其效率。

相关工作发表在Advanced Materials子刊Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.202000240)上。