近幾年, 有機無機雜化鈣鈦礦太陽電池被廣泛關注. 該材料具有帶隙可調, 吸收係數高, 載流子壽命長和載流子遷移率高等優點. 鈣鈦礦太陽電池被報道的最高效率已超過20%. 近日, 中國科學院院士, 中科院半導體研究所半導體材料科學重點實驗室王占國課題組, 在鈣鈦礦太陽電池載流子輸運管理研究方面取得了新進展.
作為有源層的有機無機雜化鈣鈦礦材料對電池效率起關鍵作用, 而單純依靠優化鈣鈦礦薄膜來提高電池的效率已處於瓶頸期. 這需要針對光電轉換的物理過程, 對電池結構進行系統設計. 在此背景下, 該團隊構建了典型的P–I–N結構, 系統研究了鈣鈦礦太陽電池內部光生激子產生, 分離, 以及載流子輸運和收集的影響因素.
1, 陰極功函數的作用機制
電極功函數與有源層費米能級的差值影響能帶彎曲和界面層偶極矩, 這對載流子輸運有重要影響. 採用典型的倒結構鈣鈦礦太陽電池, 控制金屬緩衝層的功函數調整電池有源層界面處的能帶彎曲, 有利於電子的輸運和收集, 進而促進光生激子的產生和分離效率. 該研究成果發表在Small上, 研究工作得到科技部國家重點基礎研究發展計劃 (973計劃) 的資助.
2, 載流子的輸運管理
從高效分離, 輸運和收集光生載流子的角度來設計高效倒結構鈣鈦礦太陽電池. 採用乙醯丙酮鋯 (ZrAcac) 修飾Al電極, 使PC61BM電子遷移率提高, 同時降低缺陷態密度, 表現為電池中電荷輸運電阻降低, 實現陰極對電子的高效收集; 採用Cu摻雜優化NiOx空穴傳輸層, Cu的存在可以提升NiO x層的空穴遷移率, 同時Cu摻雜可調整NiO x的能級位置, 在開路電壓損失最小的情況下, 達到有利於空穴傳輸的目的; 採用高電導率的FTO玻璃襯底, 可避免在NiO x退火時造成陽極電導率的衰退, 使電池中電荷輸運電阻進一步降低, 提高電池的填充因子. 電池的光電轉換效率達到20.5%. 研究成果發表在Energy & Environmental Science上, 研究工作得到了科技部國家重點基礎研究發展計劃 (973計劃) 的資助.
圖1. (a) 不同陰極功函數電池的Jph隨Veff的變化曲線, 插圖為對應電池的Gmax值 (b) 不同陰極功函數電池的P(E,T)隨Veff的變化曲線, 插圖為在短路電流狀態下, 對應電池的P(E,T)
圖2.鈣鈦礦太陽電池IV曲線和能帶結構示意圖 (左) , 鈣鈦礦太陽電池截面的SEM圖 (右) .
