Nano Select:钙钛矿/OPV串联叠层太阳能电池:发展、前景及挑战

得益于钙钛矿的可调控光学带隙特性,宽带隙/窄带隙钙钛矿可与对应窄带隙/宽带隙光伏材料(OPV,钙钛矿,硅电池等)相结合组成串联叠层器件,提高器件的光电转换效率和开路电压(Voc),从而进一步提高器件效率。目前,以宽带隙钙钛矿和窄带隙OPV相结合的钙钛矿/OPV串联叠层器件以钙钛矿溶液和OPV溶液具有正交极性,使得器件制备相对全钙钛矿叠层器件较容的优势,而受到广泛关注。然而,相较于单节器件,叠层器件复杂的器件结构(宽带隙子节电池、连接层(ICL)、窄带隙子节电池)仍极大的提高了器件制备难度,此外器件内部的子节电池之间的复杂的载流子复合过程,对各子节电池的光学带隙构成和中间连接层的载流子调控能力提出了严苛的要求和严峻挑战。值得注意的是,与全钙钛矿叠层器件24.8%的最高效率相比,钙钛矿/OPV叠层器件效率仅为20.6%,这表明目前钙钛矿/OPV叠层器件的制备条件、策略尚不成熟,需要系统研究,为其发展方向提供理论指导。

华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室薛启帆和叶轩立团队以钙钛矿/OPV串联叠层器件为研究模型,针对基于钙钛矿的串联叠层器件的效率限制因素进行分析,通过与钙钛矿/钙钛矿串联叠层器件在器件结构、光电转换参数等进行系统对比揭示钙钛矿/OPV叠层器件效率的限制因素,指出钙钛矿/OPV器件较大的Voc损失是限制器件效率的关键因素之一,而OPV子节电池相较于窄带隙钙钛矿较低的短路电流进一步降低了叠层器件的效率。此外,应用在钙钛矿/OPV叠层器件的钙钛矿子节电池的性能也略低于全钙钛矿叠层器件中的宽带隙子节电池性能,这进一步降低了钙钛矿/OPV叠层器件的效率。因此,该团队指出,进一步提高钙钛矿/OPV器件效率的关键在于提高子节电池的光电转换性能和连接层载流子平衡调控能力,从而提高器件的光电转换效率,降低能量损失。此外,研究人员还对目前热门的二元钙钛矿/bulk-heterojunction (BHJ)的发展现状及前景进行了总结归纳。相关结果发表在Nano Select上(DOI: 10.1002/nano.202000287)。

作者简介:

谢跃民,华南理工大学博士后研究员,目前从事钙钛矿结晶动力学特性、高效混合卤素宽带隙钙钛矿太阳能电池、钙钛矿叠层太阳能电池的研究。博士期间师从香港城市大学曾世荣博士,从事钙钛矿结晶动力学特性的研究。已发表论文30余篇,总引630余次,h因子18。

薛启帆,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室副研究员、硕士生导师,获得广东省杰出青年基金支持,主要从事钙钛矿太阳能电池、钙钛矿LED、OPV等光电器件界面工程,材料工程、器件工程等的研究工作。已发表论文40余篇,总引2700余次,h因子32。

叶轩立,2013−2020任职华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室教授,现为香港城市大学材料科学与工程及能源与环境学院教授。主要研究钙钛矿和有机光电子材料及器件的研发,新应用领域的开拓,以及商业化的转化等。在Nature,Science,Nature Photonics,Nature Communications等国际期刊上发表论文200余篇,被引约25000次,H因子80,并连续于2014至2020年度入选ESI全球“高被引科学家”。担任Matter杂志国际顾问,ScienceBulletin 及 Journal of Semiconductors期刊的编委会会员。