06-平面型高效率钙钛矿太阳能电池的研究-朱瑞

2017/11/17，江苏徐州1 朱 瑞 北京大学物理学院现代光学研究所 人工微结构和介观物理国家重点实验室 平面型高效率钙钛矿太阳能 电池的研究 2017第十三届中国太阳级硅及光伏发电研讨会（13th CSPV） 物理学院现代光学研究所 Institute of Modern Optics, School of Physics Group website: http://www.phy.pku.edu.cn/~zhurui/index.htm 2 飞秒科学与非线性光学， 强场光物理， 介观光学与微纳光电子学， 量子光学， 光电材料与器件。 团队介绍 北京大学，现代光学研究所 光电材料与器件研究小组 物理学院现代光学研究所 Institute of Modern Optics, School of Physics 3 个人简介 2013~至今，北京大学，物理学院 研究员，博士生导师 中组部“青年千人”计划 基金委“优青” 2009~2012，加州大学洛杉矶分校，博士后 2007~2009，新加坡国立大学，研发工程师 2003~2007，复旦大学，理学博士 1999~2003，南京大学，理学学士 研究方向：简 历： 物理学院现代光学研究所 Institute of Modern Optics, School of Physics PKU之前的研究简介 4 Solid-State Dye-Sensitized Solar Cells Using Polymer Hole Conductors Zhu, Rui; Liu, Bin*; et al.; Adv. Mater., 21, 994, 2009. Examples: Dye-sensitized solar cells 物理学院现代光学研究所 Institute of Modern Optics, School of Physics 5 Zhu, R.; Yang Y.;* et al.; Adv. Mater., 23, 3465, 2011. Zhu, R.; Yang, Y.*; et al.; Adv. Mater., 23, 4193, 2011. Tandem Polymer Solar Cells Polarizing Organic Solar Cells Examples: Organic solar cells PKU之前的研究简介 物理学院现代光学研究所 Institute of Modern Optics, School of Physics 6 Zhu, R.; Yang, Y.*; et al.; ACS Nano, 5, 9877, 2011. Silver Nanowire + Metal Oxide Hybrid Transparent Electrodes Zhu, R.*; Weiss, P.*; Yang, Y.*; et al.; ACS Nano, 6, 7185, 2012. Transparent Organic Solar Cells Examples: Silver Nanowire transparent conductors Window Layer for CIGS Solar Cells Chung, C.-H.;… Zhu, R.; et al.; Adv. Mater., 24, 5499, 2012. PKU之前的研究简介 物理学院现代光学研究所 Institute of Modern Optics, School of Physics 研究思路@PKU 利用新型光伏技术，探索从阳光中获取能源的策略 物理学院现代光学研究所 Institute of Modern Optics, School of Physics 1. 研究背景 自2012, 钙钛矿太阳能电池发展迅速 新型光伏技术 新型无机薄膜 有机 有机-无机杂化 新型光伏技术简介 钙钛矿材料的历史 9 Lev Aleksevich von Perovski 钙钛矿材料 钙钛矿材料： 任何具有与钛酸钙( CaTiO 3 ), 相似晶体结构的材料，即ABX3 结 构，都可称之为钙钛矿材料。 From Wikipedia 历史背景： 最早在俄国乌拉尔山发现（Gustav Rose，1839），以俄国矿物学家Lev Alekseevich Perovski（1792– 1856 ）命名。 ABX3 晶体结构 物理学院现代光学研究所 Institute of Modern Optics, School of Physics 1. 研究背景 钙钛矿材料的应用 10 From Wikipedia 物理学院现代光学研究所 Institute of Modern Optics, School of Physics 1. 研究背景 在许多领域都有应用的实例，如超导材料、储能电池、 燃料电池、催化、铁电、压电陶瓷、磁性材料，等等。 钙钛矿太阳能电池 的器件结构演变 物理学院现代光学研究所 Institute of Modern Optics, School of Physics 1. 研究背景 11 Miyasaka, JACS, 2009 N.G Park, et al., Sci. Rep., 2012. H. Snaith, et al., Science, 2012. M. Gratzel, et al., Nature, 1998. 钙钛矿有机无机杂化吸光材料 Cubic, ABX 3 : A = CH 3 NH 3 + , CH(NH 2 ) 2 + ,Cs + … B = Pb 2+ , Sn 2+ … X = I - , Br - , or Cl - … M. Gratzel, et al., Nature, 1991. M. Gratzel, et al., Nature, 2013. H. Snaith, et al,, Nature, 2013. Thin Film Perovskite Solar Cells Mesoscopic Perovskite Solar Cells Solid-State DSSCs Dye-Sensitized Solar Cells (DSSCs) 物理学院现代光学研究所 Institute of Modern Optics, School of Physics 12 Liq. Electrolyte, Miyasaka, JACS, 2009. Mesoporous Al 2 O 3 , Snaith, Science, 2012. PCBM/Perovskite, Huang, Adv. Mater., 2014. Solid Hole Conductor, Gratzel Luo, D. Y. # ; Russell, T.*; … Zhu, R.*;… et al.; Adv. Funct. Mater., 26, 3508, 2016. 22 物理学院现代光学研究所 Institute of Modern Optics, School of Physics 2.1 我们的研究--- 效率提升 器件效率优化： Performance summary of the devices based on MABr doping. Zhao, L. C. # ; Luo, D. Y. # ; Russell, T.*; … Zhu, R.*;… et al.; Adv. Funct. Mater., 26, 3508, 2016. 23 (a) J-V curves of the best devices. (b) Steady-state photocurrents and output efficiencies at the maximum power points. (c) Histograms of the PCEs. 器件效率优化： 物理学院现代光学研究所 Institute of Modern Optics, School of Physics 2.1 我们的研究--- 效率提升 Zhao, L. C. # ; Luo, D. Y. # ; Russell, T.*; … Zhu, R.*;… et al.; Adv. Funct. Mater., 26, 3508, 2016. 24 器件载流子动力学表征： P-interface side (ITO): N-interface side (PCBM): Carrier lifetimes at interface: 41.9 ns 32.3 ns 22.7 ns 16.8 ns (a,b) Steady-state and (c,d) time-resolved PL spectra of the perovskite films measured at 767 nm. The films were excited with 470 nm excitation laser light from both the ITO side (a,c) and the PC 61 BM side (b,d). 物理学院现代光学研究所 Institute of Modern Optics, School of Physics 2.1 我们的研究--- 效率提升 Chen, K.; Hu, Q.; Liu, T. H.; … Zhu, R.*;… et al.; Adv. Mater., 28, 10718, 2016. 25 P-interface side (ITO): N-interface side (PCBM): Carrier lifetimes at interface: 41.9 ns 32.3 ns 22.7 ns 16.8 ns (a,b) Steady-state and (c,d) time-resolved PL spectra of the perovskite films measured at 767 nm. The films were excited with 470 nm excitation laser light from both the ITO side (a,c) and the PC 61 BM side (b,d). Different charge collection rates 物理学院现代光学研究所 Institute of Modern Optics, School of Physics 2.1 我们的研究--- 效率提升 器件载流子动力学表征： Chen, K.; Hu, Q.; Liu, T. H.; … Zhu, R.*;… et al.; Adv. Mater., 28, 10718, 2016. 26 界面电荷收集平衡与器件性能优化： 物理学院现代光学研究所 Institute of Modern Optics, School of Physics 2.1 我们的研究--- 效率提升 界面载流子收集平衡 有利于器件性能提升 n-型界面 p-型界面 e h h e Chen, K.; Hu, Q.; Liu, T. H.; … Zhu, R.*;… et al.; Adv. Mater., 28, 10718, 2016. 27 物理学院现代光学研究所 Institute of Modern Optics, School of Physics 2.1 我们的研究--- 效率提升 界面电荷收集平衡与器件性能优化： 微量PMMA调控 32.3 ns  15.7 ns 分子堆积微结构优化 20.9 ns  14.9 ns h e Chen, K.; Hu, Q.; Liu, T. H.; … Zhu, R.*;… et al.; Adv. Mater., 28, 10718, 2016. 28 界面动力学表征： Steady-state photoluminescence (PL) spectra for (a) PEDOT:PSS/perovskite and (c) perovskite/PCBM. Time-resolved PL spectra for (b) PEDOT:PSS/perovskite and (d) perovskite/PCBM. Bi-exponential decay function to fit (i) fast decay process (quenching of carriers at interfaces) 13.62 ns to 2.95 ns; 12.23 ns to 2.97 ns Balanced charge carrier extraction abilities at interfaces (ii) slow decay process (radiative decay) 38.50 ns to 17.77 ns; 28.78 ns to 16.90 ns Average PL lifetimes (32.25 ns to 15.74 ns; 20.94 ns to 14.88 ns) Balanced charge carrier diffusion lengths Chen, K.; Hu, Q.; Liu, T. H.; … Zhu, R.*;… et al.; Adv. Mater., 28, 10718, 2016. 物理学院现代光学研究所 Institute of Modern Optics, School of Physics 2.1 我们的研究--- 效率提升 界面电荷收集平衡与器件性能优化： 29 器件性能： Photovoltaic parameters summary of PSCs with PEDOT:PSS treated by different solvents, and PCBM modified with different concentrations of PMMA simultaneously with DMF treated PEDOT:PSS. Photovoltaic performance of the reference and balanced device: (a) Current density-voltage (J-V) curves, (b) Steady power output at the voltage near the maximum power point. 物理学院现代光学研究所 Institute of Modern Optics, School of Physics 2.1 我们的研究--- 效率提升 界面电荷收集平衡与器件性能优化： Chen, K.; Hu, Q.; Liu, T. H.; … Zhu, R.*;… et al.; Adv. Mater., 28, 10718, 2016. 30 Luo, D. Y.; Zhao, L. C.;… Zhu, R.*;… et al.; Adv. Mater., 29,1604758, 2017. 物理学院现代光学研究所 Institute of Modern Optics, School of Physics 2.1 我们的研究--- 效率提升 基于PEDOT:PSS的p型界面，其 HOMO 能级会限制器件的V oc (~1.0 V). MAPbI 3 : 带隙宽度Eg~1.55 eV. 限制了太阳光谱的利用范围，J sc 限制在22 mA/cm 2 左右。 From ~18% to 20%反式器件效率的进一步提升：