Solar RRL:氧化镍表面硫化赋能反式钙钛矿太阳能电池

太阳能取之不尽用之不竭,在现在以及未来将逐渐取代化石能源,为人类提供源源不断的能量。钙钛矿太阳能电池自2009年首次报道以来一路高歌猛进,短短十年其效率已经追至于离传统硅太阳能电池仅一步之遥。加上简单的工艺,低廉的成本和丰富的应用场景,钙钛矿太阳能已经成为最炙手可热的能源材料之一,即将步入产业化的边缘。

对于层状结构的钙钛矿太阳能电池,界面的调控对于器件的稳定性和效率均至关重要。香港科技大学和北京大学深圳研究生院杨世和教授课题组最近介绍了一种新的氧化镍薄膜的表面处理方法,使氧化镍表面部分硫化,用于提升钙钛矿和空穴传输的氧化镍薄膜之间的电荷传输效率。研究发现,因为硫化镍由于具有比氧化镍更小的溶度积常数,硫代乙酰胺水溶液能够与氧化镍薄膜发生阴离子交换反应,使得氧化镍薄膜被部分硫化。硫化氧化镍薄膜表面的硫能与钙钛矿中的铅形成较强的硫铅键(398 kJ/mol),进而牢牢“抓取”钙钛矿。形貌和晶体研究揭示了硫铅结合对钙钛矿薄膜上下贯通的晶粒生长方式和大晶粒生长均具有促进作用,进而减少了导致电荷复合的横向和纵向晶界产生。一系列薄膜和器件的光学,器件物理等表征表明硫化处理能有效钝化界面的缺陷,抑制了铅空位相关缺陷的产生,促进了界面的电荷传输。硫化对于氧化镍的能级也有一定的调控作用,使其与钙钛矿的空穴传输在能量上更为匹配。最终,基于碘化铅甲胺的钙钛矿反式太阳能器件取得了超过20%的光电转换效率。相应的方法可推广至一系列基于氧化物薄膜的光电器件应用中。

由于化学水浴沉积法具有简单,可规模化的特性。该工作对电荷传输层的表面和光电器件界面处理提出了新的方法学选项。相关论文在线发表在Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.202000270).