富勒烯衍生物助力高開路電壓錫基鈣鈦礦太陽能電池
上海科技大學(xué)寧志軍課題組今年在非鉛鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該課題組前期采用低維錫基鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和納米梯度結(jié)構(gòu)制備了高效太陽能電池，在近期的研究中將錫基鈣鈦礦太陽能電池開路電壓提高到0.94 V，12.4%的光電轉(zhuǎn)化效率，是目前已知的穩(wěn)態(tài)輸出效率較高的非鉛鈣鈦礦太陽能電池。
太陽能電池是一項清潔可再生能源利用技術(shù)，基于鈣鈦礦的單節(jié)和疊層電池是目前廣泛認(rèn)可的高效低成本新型太陽能電池。但是目前的鈣鈦礦太陽能電池大多是具有環(huán)境污染性的可溶性重金屬鉛材料體系，尤其在可穿戴器件以及室內(nèi)和建筑物等人口密集的場所中的應(yīng)用時環(huán)境污染現(xiàn)象尤為突出，因此具有環(huán)境友好型的非鉛鈣鈦礦太陽能電池成為了目前的熱門研究方向。
錫基鈣鈦礦具有高吸光系數(shù)、高載流子遷移率和理想的帶隙等優(yōu)異性能，具備和鉛鈣鈦礦相似的電子結(jié)構(gòu)以及相媲美的半導(dǎo)體性質(zhì)。但根據(jù)文獻(xiàn)報道，錫基鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓和光電轉(zhuǎn)換效率較低，目前已知的性能
最好的錫鈣鈦礦太陽能電池開路電壓在0.6 V左右、光電轉(zhuǎn)化效率在10%左右，均遠(yuǎn)低于鉛鈣鈦礦太陽能電池。而這主要由以下三個因素造成：
- 錫鈣鈦礦較低的空位形成能導(dǎo)致較多缺陷
- 二價錫容易被氧化成四價錫造成結(jié)構(gòu)畸變
- 錫器件的電子傳輸層能級和錫鈣鈦礦較淺的能級不匹配
為了解決上述問題，寧志軍課題組前期引入低維錫鈣鈦礦來制備錫鈣鈦礦太陽能電池，有效提高了鈣鈦礦的本征穩(wěn)定性。同時，有機(jī)分子包裹鈣鈦礦有效抑制了鈣鈦礦和氧氣的接觸，提高了鈣鈦礦的抗氧化能力，從而進(jìn)一步將錫鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)了5.9%的光電轉(zhuǎn)化效率。在上述基礎(chǔ)上，課題組進(jìn)一步利用NH4SCN調(diào)控錫鈣鈦礦的結(jié)晶動力學(xué)過程，
最終形成2D-準(zhǔn)2D-3D梯度結(jié)構(gòu)的錫鈣鈦礦薄膜，該薄膜具有高抗氧化性、低薄膜缺陷濃度、高載流子傳輸速率等優(yōu)異性能，可實現(xiàn)9.4%的光電轉(zhuǎn)化效率。
在本文工作中，作者提出了全新的研究思路，從器件結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，在低維錫基鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和反式太陽能電池結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計利用較淺LUMO軌道能級的富勒烯衍生物ICBA作為電子傳輸層材料，取代常用的富勒烯衍射物PCBM，提高了光照條件下的準(zhǔn)費(fèi)米能級位置，實現(xiàn)了錫鈣鈦礦和電子傳輸層之間的能級匹配。同時ICBA抑制了碘離子長程摻雜帶來的電子傳輸層載流子濃度提高，降低了界面的載流子復(fù)合，實現(xiàn)了0.94 V的開路電壓和12.4%能量轉(zhuǎn)換效率（圖1）。通過課題組的工作表明，錫鈣鈦礦的P型摻雜所帶來的界面復(fù)合是影響器件開路電壓的重要因素，因此，可以通過合理的界面設(shè)計，提高錫鈣鈦礦太陽能電池性能。
圖1（a）錫基鈣鈦礦電池的能及結(jié)構(gòu)示意圖；（b）AM1.5G光照下基于不同電子傳輸層的器件J-V曲線圖
圖2 （a）錫鈣鈦礦與電子傳輸層之間的界面電勢SKPM掃描圖；（b）錫鈣鈦礦和電子傳輸層之間的界面非輻射復(fù)合示意圖。
近幾年來，寧志軍課題組通過在材料和器件兩個方面的研究，大幅度提高了錫鈣鈦礦太陽能電池效率，低維錫鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的引入也對錫鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展起到了重要的推動作用，因此，錫鈣鈦礦太陽能電池在近年也成為了研究熱點，是環(huán)境友好非鉛鈣鈦礦太陽能電池中效率
最高和最有前景的一種。
文章信息
這一成果以“Ultra-high open-circuit voltage of tin perovskite solar cells via an electron transporting layer design”為題發(fā)表在Nature Communications上，該論文
的第一作者為上?？萍即髮W(xué)博士生姜顯園和王飛，通訊作者為上?？萍即髮W(xué)寧志軍教授，蘇州納米所陳立桅研究員和陳棋副研究員為共同作者。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15078-2
本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司
“ SCS100” 太陽能電池量子效率測試系統(tǒng)，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢我司。
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