近几年, 有机无机杂化钙钛矿太阳电池被广泛关注. 该材料具有带隙可调, 吸收系数高, 载流子寿命长和载流子迁移率高等优点. 钙钛矿太阳电池被报道的最高效率已超过20%. 近日, 中国科学院院士, 中科院半导体研究所半导体材料科学重点实验室王占国课题组, 在钙钛矿太阳电池载流子输运管理研究方面取得了新进展.
作为有源层的有机无机杂化钙钛矿材料对电池效率起关键作用, 而单纯依靠优化钙钛矿薄膜来提高电池的效率已处于瓶颈期. 这需要针对光电转换的物理过程, 对电池结构进行系统设计. 在此背景下, 该团队构建了典型的P–I–N结构, 系统研究了钙钛矿太阳电池内部光生激子产生, 分离, 以及载流子输运和收集的影响因素.
1, 阴极功函数的作用机制
电极功函数与有源层费米能级的差值影响能带弯曲和界面层偶极矩, 这对载流子输运有重要影响. 采用典型的倒结构钙钛矿太阳电池, 控制金属缓冲层的功函数调整电池有源层界面处的能带弯曲, 有利于电子的输运和收集, 进而促进光生激子的产生和分离效率. 该研究成果发表在Small上, 研究工作得到科技部国家重点基础研究发展计划 (973计划) 的资助.
2, 载流子的输运管理
从高效分离, 输运和收集光生载流子的角度来设计高效倒结构钙钛矿太阳电池. 采用乙酰丙酮锆 (ZrAcac) 修饰Al电极, 使PC61BM电子迁移率提高, 同时降低缺陷态密度, 表现为电池中电荷输运电阻降低, 实现阴极对电子的高效收集; 采用Cu掺杂优化NiOx空穴传输层, Cu的存在可以提升NiO x层的空穴迁移率, 同时Cu掺杂可调整NiO x的能级位置, 在开路电压损失最小的情况下, 达到有利于空穴传输的目的; 采用高电导率的FTO玻璃衬底, 可避免在NiO x退火时造成阳极电导率的衰退, 使电池中电荷输运电阻进一步降低, 提高电池的填充因子. 电池的光电转换效率达到20.5%. 研究成果发表在Energy & Environmental Science上, 研究工作得到了科技部国家重点基础研究发展计划 (973计划) 的资助.
图1. (a) 不同阴极功函数电池的Jph随Veff的变化曲线, 插图为对应电池的Gmax值 (b) 不同阴极功函数电池的P(E,T)随Veff的变化曲线, 插图为在短路电流状态下, 对应电池的P(E,T)
图2.钙钛矿太阳电池IV曲线和能带结构示意图 (左) , 钙钛矿太阳电池截面的SEM图 (右) .
