Small Methods:碱金属氯盐掺杂的水系TiO₂用于高效稳定的平面钙钛矿光伏器件

在过去十年中,得益于钙钛矿材料优异的光电性质,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从3.8%提高到25.5%。由于拥有制造方法简便、光电转换效率高和潜在的低成本优势,钙钛矿材料已成为光伏领域下一代太阳能电池吸光层的有力候选者。根据电子传输层中是否存在介孔结构,钙钛矿器件可进一步分为介孔型或平面型。与介孔型结构相比,平面型器件省去了高温制备介孔结构的环节,在与柔性器件兼容、叠层电池器件和节能减排等众多领域表现出了良好的应用前景。低温(≤150℃)下制备TiO2薄膜的方法已被广泛研究,其中,溶胶-凝胶法因其简单可控和可扩展的反应过程而成为制备低温TiO2 的首选方法。然而,低温法制备的TiO2在迁移率、与钙钛矿的能级对齐和缺陷密度降低等方面仍存在较大的提升空间。

有鉴于此,北京大学赵清教授课题组开发出一套简便有效的方法,通过在TiO2的水分散液中直接添加微量碱金属氯盐掺杂剂,一方面大幅提升了低温TiO2的电学性能并改善了与钙钛矿的能级排列,从而改善了其电子抽取能力;另一方面氯离子和碱金属阳离子协同钝化界面和晶界处的缺陷,有效降低了界面缺陷浓度,显著提升了钙钛矿太阳能电池器件的转换效率和稳定性。

由于溶解度有限,低温TiO2通常使用的有机分散剂使得无机掺杂剂的直接添加具有挑战性。本工作中,通过旋蒸技术将低温TiO2分散到绿色溶剂水中,再进一步调控碱金属氯盐的掺杂工艺,从而获得高质量的TiO2薄膜。NaCl掺杂后电池器件的光电转换效率从21.61%提升到23.15%,是目前基于TiO2电子传输层的平面钙钛矿太阳电池的最高值之一。此外,该器件在储存4100小时后仍保持初始效率的90%,光照450小时后保持初始效率的81.5%,表现出了良好的稳定性。该工作证明低温法TiO2可以作为制备高效稳定钙钛矿太阳电池的电子传输材料的重要选择,简便安全的无机掺杂剂即可有效改善电学性能并钝化界面和晶界处的缺陷,提高钙钛矿太阳能电池器件的光伏性能和长期稳定性。

论文信息:

Alkali Metal Chloride Doped Water-based TiO2 for Efficient and Stable Planar Perovskite Photovoltaics Exceeding 23% Efficiency

Feng Gao, Chao Luo, Xianjin Wang, Qing Zhao*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202100856

原文链接:https://doi.org/10.1002/smtd.202100856