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半导体所材料室在钙钛矿太阳电池方面取得新进展

2017-12-08

 

    近几年,有机无机杂化钙钛矿太阳电池被广泛关注。该材料具有带隙可调、吸收系数高、载流子寿命长和载流子迁移率高等优点。钙钛矿太阳电池被报道的最高效率已超过20%。最近中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室王占国院士课题组在钙钛矿太阳电池载流子输运管理研究方面取得了新进展。
    作为有源层的有机无机杂化钙钛矿材料对电池效率起着关键作用,而单纯依靠优化钙钛矿薄膜来提高电池的效率已处于瓶颈期。这就需要针对光电转换的物理过程,对电池结构进行系统设计。在此背景下,该团队构建了典型的P–I–N结构,系统研究了钙钛矿太阳电池内部光生激子产生、分离,以及载流子输运和收集的影响因素。
    1、阴极功函数的作用机制
    电极功函数与有源层费米能级的差值影响能带弯曲和界面层偶极矩,这对载流子输运有重要影响。采用典型的倒结构钙钛矿太阳电池,控制金属缓冲层的功函数调整电池有源层界面处的能带弯曲,有利于电子的输运和收集,进而促进了光生激子的产生和分离效率。该研究成果发表在Wiley旗下的期刊Small,中科院半导体所博士生岳世忠为第一作者,曲胜春研究员、王智杰研究员以及雷勇教授为共同通讯作者。该工作得到科技部973项目资助。


图1(a)不同阴极功函数电池的Jph随Veff的变化曲线,插图为对应电池的Gmax值,(b)不同阴极功函数电池的P(E,T)随Veff的变化曲线,插图为在短路电流状态下,对应电池的P(E,T),
    2载流子的输运管理
    从高效分离、输运和收集光生载流子的角度来设计高效倒结构钙钛矿太阳电池。采用乙酰丙酮锆(ZrAcac)修饰Al电极,使得PC61BM电子迁移率提高,同时降低缺陷态密度,表现为电池中电荷输运电阻降低,实现阴极对电子的高效收集;采用Cu掺杂优化NiOx空穴传输层,Cu的存在可以提升NiOx层的空穴迁移率,同时Cu掺杂可调整NiOx的能级位置,在开路电压损失最小的情况下,达到有利于空穴传输的目的;采用高电导率的FTO玻璃衬底,可避免在NiOx退火时造成阳极电导率的衰退,使得电池中电荷输运电阻进一步降低,提高电池的填充因子。电池的光电转换效率达到20.5%。研究成果近期发表于RSC旗下的期刊Energy & Environmental Science,中科院半导体所博士生岳世忠为第一作者,曲胜春研究员、王智杰研究员以及雷勇教授为共同通讯作者。该工作得到科技部973项目资助。

图2  钙钛矿太阳电池IV曲线和能带结构示意图(左),钙钛矿太阳电池截面的SEM图(右)。

 

文章链接:http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2017/ee/c7ee02685d
          http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201700007/full



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