10001031_高效钙钛矿太阳电池的制备及性能研究

高效钙钛矿太阳电池的制备及相关材料研究 李仕奇，张帆，孙钦军，韩康，李战峰，郝玉英 * 太原理工大学 太原市迎泽西大街 79 号 邮编 030024 作者简介郝玉英，教授/博士生导师，主要从事有机太阳电池、钙钛矿太阳电池研究。 E- mail haoyuyinghyysina.com 有机-无机金属卤化物钙钛矿材料因其高的光吸收系数、合适的禁带宽度、优良的双极性传 输特性以及简单的制备工艺等优势，近年来得到了广泛研究。自 2009 年钙钛矿太阳电池被首次 报道以来，发展非常迅速，目前最高认证效率已达了 23.3。研究表明，钙钛矿薄膜的结晶质 量极大地影响着电池的光伏性能，采用如甲苯、氯苯、乙醚等反溶剂法可以有效提高钙钛矿薄 膜的质量，但我们发现利用上述反溶剂制得的薄膜中仍存在部分针孔和较多的晶界，这些缺陷 会产生大量的电荷陷阱，容易引起电荷的复合损失。此外，甲苯、氯苯毒性较大，在大量使用 时会对人体及其周围环境带来损害，乙醚较甲苯、氯苯毒性小，但其沸点低，常温下挥发迅速， 导致在电池制备中其用量难以控制，且其属于易燃易爆物。为此，本文发展了一类绿色、环保、 极性适中的醇类反溶剂技术，如仲丁醇、仲戊醇，有效调控了钙钛矿中间相的形成，并结合溶 剂后退火技术，制得了更加致密、表面更加光滑、具有大晶粒分布、单晶粒穿透整个膜层的高 质量薄膜，如图 1 所示，提高了载流子的传输，进而提高了电池效率。 [1-7] 图 1 不同反溶剂工艺所制备的 MAPbI3 钙钛矿薄膜 SEM 像a仲戊醇b 氯苯c 甲苯d 异丙醇e 乙醚 除了钙钛矿薄膜的体缺陷外，界面缺陷也是导致载流子复合损失的一个重要因素，寻找一个 可溶液制备、稳定且成本廉价的界面钝化方法非常重要。为此，本文采用一种绝缘的 PMMA 超薄层钝化空穴传输层 TPAAF4-TCNQ 与钙钛矿层界面，降低了界面载流子的复合损失，取得 了 20.3的光电转化效率，如图 2 所示。 [8] 图 2 钙钛矿太阳电池截面的 SEM 像（a）、能级结构图（b）、J-V 特性（c）及 PCE 及 Jsc 的稳态测试 （d）. PEDOTPSS 作为空穴传输层其空穴迁移率还不够高，与钙钛矿光敏层 MAPbI3 的能级结构 还不够匹配，而且 PEDOTPSS 的酸性对 ITO 有腐蚀作用，影响电池的稳定性。为此，本文将 电纺 CuO 插入 ITO 与 PEDOTPSS 空穴传输层之间提高了空穴的传输与抽取能力，降低了载流 子的界面复合损失，从而提高了电池的光电转化效率。通过分别引入具有同样直径及覆盖率的 电纺 CuO、ZnO 纳米线，比较它们对电池平均效率的影响，得出电池效率的提高一方面源于 PEDOTPSS/钙钛矿光敏层界面面积的提高，另一方面源于 CuO 本身优良的空穴传输性能，其 中界面面积的提高是一个更主要的因素，如图 3 所示。 [9] 图 3 a 不同 CuO NWs 覆盖率下电池的 J-V 特性 b 不同 CuO NWs 覆盖率下电池的短路电流密度J SC的 统计分布 c 不同 CuO NWs 覆盖率下电池的光电转换效率PCE的统计分布 d 最优覆盖率（4.2）的 CuO NWs 钙钛矿太阳能电池和参比电池的 EQE 光谱 e 最优覆盖率（4.2）的 CuO NWs 的光学显微镜 图 f CuO NWs 钙钛矿太阳能电池断面的 SEM 像. 高性能、低成本空穴传输材料的设计与制备对研发高效钙钛矿太阳电池具有重要意义。本文 采用简单的合成步骤得到了一类基于咔唑的低成本钙钛矿太阳能电池空穴传输材料 Cz- OMeTAD，如图 4 所示，其电池性能可以与传统的空穴传输材料 Spiro-OMeTAD 的电池性能相 媲美。 [10] 图 4 Cz-OMeTAD 的合成与结构及电池性能 参考文献 [1] Fan Zhang, Jun Song, Yuying Hao, et al, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 8554 [2] Fan Zhang, Jun Song, Yuying Hao et al., J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 3438 [3] Shiqi Li, Yuying Hao et al., Organic Electronics, 2018, 57, 133–139 [4] Jinbo Chen, Zhanfeng Li, Yuying Hao et al., Organic Electronics, 2018, 56, 59–67 [5] Yu Yuan,Yuying Hao et al., IEEE Journal of Photovoltaics, 2018, 5, 2360 [6] Fan Zhang, Jun Song, Yuying Hao et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 2016, 18, 32903 [7] Lingang Li, Yuying Hao, et al. , J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 2360. [8] Fan Zhang, Jun Song, Yuying Hao, Bin Zhang, Junle Qu, et al. Small, 2018, e1704007 [9] Qinjun Sun, Yuying Hao et al., ACS Applied Materials Interfaces, 2018, 1013, 11299 [10] Zhi Liang Chen, Hui Li, Zhanfeng Li, Yuying Hao, Guojia Fang, et al., ChemSusChem, 2017, 10, 3111 基金资助国家自然科学基金U1710115 、61274056、61571317，山西省重点研发计划项目 （201603D421042），山西省科技创新培育团队（201605D131038）