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基于介孔碘化铅骨架的高效率钙钛矿太阳能电池

随着环境和能源问题的日益凸显,清洁可再生的太阳能能源的利用引起了科研工作者和产业界人士的广泛关注。钙钛矿太阳能电池,因其具有光电转换效率高、制备工艺简单和成本低廉等优势,近几年发展迅猛,最高光电转换效率已突破20%,成为新型薄膜太阳能电池中的杰出代表。钙钛矿太阳能电池中采用具有钙钛矿型晶格结构的有机-金属卤化物作为光吸收层,这种材料具有带隙窄、吸光强、载流子迁移率高等优良的光电性质。有机-金属卤化物的制备方法通常包括溶液法、蒸镀法以及液相/气相混合沉积方法等。其中,溶液法由于操作简单、成本低廉得到更多的关注。在溶液法中,采用两步顺序沉积法能够简便的实现致密的钙钛矿薄膜,为高性能的钙钛矿太阳能电池奠定了基础。在传统的两步溶液法中,碘化铅首先被沉积在介孔氧化物骨架上,而后再将基片浸入到甲胺碘溶液中。甲胺碘溶液通过骨架上的孔洞向薄膜中渗透,与碘化铅充分接触和反应,从而生成钙钛矿吸光层。然而,在平面异质结钙钛矿太阳能电池中,由于没有使用介孔氧化物骨架,碘化铅会形成一层致密的薄膜,如果再采用常规的浸泡甲胺碘溶液的薄膜生长方法,那么只有表层的碘化铅能够与甲胺碘接触反应,仅在表层生成一薄层钙钛矿层,这就造成薄膜中含有大量的碘化铅残余,由此导致活性层吸光不够、电荷的传输电阻较大,因而器件性能会比较低。

北京大学 “极端光学研究”创新团队朱瑞研究员、龚旗煌院士与与美国劳伦斯伯克利国家实验室的刘烽博士、王诚博士以及美国麻省大学Amherst分校的Thomas Russell教授展开合作,研究了基于介孔碘化铅骨架的高效率钙钛矿太阳能电池。他们开发了一种时间调控的介孔碘化铅薄膜的生长方法,通过控制碘化铅薄膜的多孔性,可以为后续的甲胺碘溶液的渗透提供通道,促使碘化铅完全转换成钙钛矿。同时,借助于掠入射X射线衍射(GIXD)和共振软X射线衍射(RSOXS)等同步辐射表征方法,系统地分析了不同的介孔碘化铅骨架转化成的钙钛矿薄膜的各方面性质,并对比研究了相应的太阳能电池器件的性能。GIXD 和RSOXS衍射结果表明,碘化铅与甲胺碘的反应过程是从上表面到薄膜底部展开的,碘化铅骨架中的介孔通道保证了甲胺碘能够从表层持续扩散到底部,让碘化铅与甲胺碘充分接触和反应。此外,钙钛矿晶体的结晶性从上表面到薄膜底部依次增强,晶体大小也依次增大。基于此种方法制备的平面结钙钛矿太阳能电池,正式器件光电转换效率最高可达17.6%,简单结构的倒式器件效率也可达15.7%,而且无扫描滞后现象。相关研究成果发表在《先进能源材料》(Advanced Energy Materials , 2015, DOI: 10.1002/aenm.201501890)上。

该研究工作得到中国国家自然科学基金委、科技部、北京大学人工微结构和介观物理重点实验室、“2011协同创新中心、美国能源部(DOE)以及劳伦斯伯克利国家实验室等单位的支持。

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