Advanced Functional Materials:黑磷量子点和氧化亚铜共同提升钙钛矿/有机体异质结太阳能电池性能

研究背景

钙钛矿太阳能电池(PSC)正在成为一项革命性的光伏技术,有可能颠覆成熟的硅太阳能电池市场,目前已实现 25.7% 的光电转换效率。PSC技术的显著进步主要归功于器件结构、钙钛矿成分、器件稳定性和界面电荷传输层的广泛优化。通过有机体异质结(BHJ)进行光管理拓宽光谱响应范围可以提高铅基钙钛矿太阳能电池的性能。然而,集成钙钛矿/有机体异质结太阳能电池(IPSC)的发展遇到了一个瓶颈问题,即钙钛矿和BHJ的载流子提取能力差,导致开路电压 (Voc) 和填充因子 (FF) 严重损失。

成果简介

近日,吉林大学宋宏伟周东磊团队采用将黑磷量子点 (BPQDs) 和氧化亚铜 (CuOx) 引入IPSC的策略,不仅成功地将单组分PSCs的光响应扩展到930 nm,使太阳能电流密度提高了16.5%,同时也显着降低了IPSC的Voc和FF损失。 具有双极电荷传输和高迁移率特性的BPQD改善了钙钛矿和BHJ薄膜的电子/空穴传输行为,并减少了钙钛矿/BHJ 界面处的载流子积累。在BHJ层和Spiro-OMeTAD层之间引入了能级匹配的CuOx作为缓冲层,为光生空穴的运输提供了良好的驱动力。冠军器件获得了23.52%的光电转换效率。本研究提出了一种解决IPSC中载流子提取关键问题的方法,对IPSC光管理的发展具有指导意义。

研究内容

1.材料与器件结构表征

将具备双极性传输的BPQDs引入钙钛矿太阳能电池中的钙钛矿层和BHJ层,提升二者的载流子提取能力,将CuOx引入到BHJ层与Spiro-OMeTAD层之间提升器件对光生空穴的提取能力。

图1材料与器件结构表征图

2.CuOx对器件电学性能影响

首先,本文对CuOx缓冲层对钙钛矿太阳能电池电学性能的影响和机理进行了详尽的研究,发现CuOx可以增强器件空穴传输层对空穴的提取能力,减少钙钛矿活性层与空穴传输层之间界面载流子的积累,进而抑制钙钛矿活性层与空穴传输层界面处发生的非辐射重组, 提升PSC的电学性能。

图2 CuOx对器件电学参数影响图

3.BHJBPQDs对器件电学性能影响

然后,本文对BHJ和BPQDs对钙钛矿太阳能电池电学性能的影响进行了详尽的研究。

图3 BHJ,BPQDs对器件电学参数影响图

4.BHJBPQDs影响器件电学性能机理研究

BHJ将钙钛矿太阳能电池的光谱响应范围拓宽至930 nm。BPQDs调节了钙钛矿层和BHJ层对光生电子和空穴的提取能力,减少了钙钛矿层与BHJ层界面处的载流子有害重组。

图4.BHJ,BPQDs影响器件电学性能机理分析图

5.BPQDsIPSCs器件内部载流子转运的影响研究

BPQDs为IPSC器件内部载流子提供了额外的转运通道

图5 IPSCs器件内部载流子转运机理图

6.BPQDsBHJ对器件稳定性影响及影响机理研究

BHJ和BPQDs可以显著提升器件的湿度稳定性和长时稳定性

图6 BPQDs,BHJ对器件稳定性影响

总结展望

本文提出一种消除IPSC中钙钛矿,BHJ和空穴传输层内部及界面间严重非辐射复合的有效策略,为未来高性能IPSC的应用奠定了基础。

论文信息

Light management through organic bulk heterojunction and carrier interfacial engineering for perovskite solar cells with 23.5% efficiency.

Zhichong Shi, Donglei Zhou*, Xinmeng Zhuang, Shuainan Liu, Rui Sun, Wen Xu, Le Liu, Hongwei Song*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202203873

链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202203873