近期, 中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所李新化課題組與戴建明課題組合作, 在鈣鈦礦太陽能電池領域取得新進展, 開發了一種無有機電子傳輸層的新型高效鈣鈦礦太陽能電池, 相關研究發表在《先進材料》(Advanced Materials)雜誌子刊Solar RRL (DOI:10.1002/solr.201800167)上.
作為新能源中不可或缺的一部分, 光伏能源的研究進展備受關注. 其中, 鈣鈦礦結構太陽能電池由於具有優越的光吸收特性, 帶隙可調, 載流子壽命長, 遷移率高, 製備工藝簡單, 成本低廉等優點, 具有廣泛的應用前景, 成為光伏領域的研究熱點.
鈣鈦礦太陽能電池分為正式(n-i-p)和反式(p-i-n)兩種結構, 而反式(p-i-n)平面結構鈣鈦礦太陽能電池(陽極/空穴傳輸層/鈣鈦礦/電子傳輸層/陰極金屬)憑藉製備工藝簡單, 可低溫成膜, 無明顯遲滯效應等優點受到越來越多的關注. 但是仍然面臨諸多問題: 一是光電轉換效率還稍顯不足; 二是作為鈣鈦礦(如: 甲胺鉛碘(MAPbI 3))太陽能電池的核心部件有機電子傳輸層(如: C60, PCBM等富勒烯及其衍生物)的熱穩定性差, 且無法阻擋金屬電極在MAPbI 3中的擴散; 三是有機電子傳輸層成本昂貴等.
為了解決這些問題, 固體所研究人員利用金屬鈦(Ti)取代有機電子傳輸層, 設計出如圖1所示的鈣鈦礦太陽能電池(ITO(陽極透明導電玻璃)/PTAA(有機空穴傳輸層)/MAPbI 3/Ti/Cathode (陰極金屬))結構. 研究表明, 利用Ti的高粘滯性製備的Ti (10nm) 層能夠完整共型地覆蓋在鈣鈦礦表面, 有利於降低電極接觸電阻, 並且能夠有效抑制陰極金屬在鈣鈦礦器件中的擴散, 從而有助於保護器件結構的完整性和穩定性; 另一方面, 在Ti與MAPbI 3的界面處, Ti與甲胺離子(MA+)形成Ti-N鍵, 能夠抑制MAPbI 3因表層MA+的揮發而引起的分解, 進一步提高了器件的穩定性(圖2). 研究結果顯示利用Ti作為電子傳輸層製備的鈣鈦礦電池的光電轉換效率已經達到18.1% (圖3), 這是目前金屬材料與鈣鈦礦層直接接觸器件所達到的最高效率, 也是足以媲美傳統PCBM作為有機電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率. 而且相比於有機電子傳輸層的製備條件, Ti層的製備和成本更為簡單與低廉.
此研究工作為構築高效的鈣鈦礦太陽能電池提供了嶄新思路, 具有非常重要的指導意義.
該工作得到國家自然科學基金, 國家自然科學基金聯合基金的資助.
圖1. 反式ITO/PTAA/MAPbI
3/Ti/Cathode結構的鈣鈦礦器件示意圖
圖2. MAPbI
3/Ti中界面Ti-N成鍵示意圖
圖3. 陰極金屬不同的鈣鈦礦器件電流-電壓圖
