通過(guò)共沉積p-型半導(dǎo)體和光活性材料簡(jiǎn)化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)

吳凱

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京分子科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，北京100871)

通過(guò)共沉積p-型半導(dǎo)體和光活性材料簡(jiǎn)化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)

吳凱

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京分子科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，北京100871)

有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池由于具有材料成本低廉、能量轉(zhuǎn)換效率高和易加工制備等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來(lái)光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。經(jīng)過(guò)短短幾年時(shí)間的發(fā)展，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)高達(dá)22.1%1，幾乎可以和晶體硅太陽(yáng)能電池的效率相媲美，表現(xiàn)出巨大的實(shí)際應(yīng)用潛力。

在光伏產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，降低電池成本是提高競(jìng)爭(zhēng)力最直接有效的措施。因此，研究如何降低鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的成本對(duì)促進(jìn)其大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用具有非常重要的意義。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的成本主要包括材料成本和制備成本。目前，在降低材料成本方面的研究已經(jīng)取得了不菲的進(jìn)展2。在降低制備成本方面，簡(jiǎn)化電池結(jié)構(gòu)是最直接有效的途徑。許多研究工作圍繞著無(wú)空穴傳輸層的電池開(kāi)展。然而，省去空穴傳輸層固然可以簡(jiǎn)化電池的結(jié)構(gòu)，但同時(shí)也會(huì)增加載流子(電子和空穴)的復(fù)合幾率，從而制約電池的效率3。為此，簡(jiǎn)化電池結(jié)構(gòu)的同時(shí)獲得高的效率似乎非常困難。

最近，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院黃春輝教授課題組首次在鈣鈦礦電池中，通過(guò)共沉積p-型半導(dǎo)體和鈣鈦礦材料簡(jiǎn)化電池的結(jié)構(gòu)。他們選擇廉價(jià)的無(wú)機(jī)p-型半導(dǎo)體CuSCN作為鈣鈦礦前驅(qū)液的添加劑，并利用一步旋涂的方法實(shí)現(xiàn)了CuSCN和鈣鈦礦的共沉積制備。經(jīng)過(guò)X射線粉末衍射(XRD)、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICPAES)和能量色散X射線譜(EDX)的表征證明了CuSCN不僅在整個(gè)鈣鈦礦層內(nèi)呈體相分布，在鈣鈦礦層與氧化銦錫(ITO)透明電極之間的界面處也有分布。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，當(dāng)前驅(qū)液中CuSCN與鈣鈦礦的摩爾比為0.08左右時(shí)，相關(guān)器件(ITO/ CH3NH3PbI3－xClx(CuSCN)/C60/BCP/Ag)可以獲得高達(dá)18.1%的效率，且?guī)缀鯖](méi)有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池所存在的遲滯問(wèn)題。

為了了解這類新結(jié)構(gòu)電池的工作機(jī)理，該課題組對(duì)鈣鈦礦/CuSCN混合薄膜的載流子傳輸性質(zhì)進(jìn)行了表征分析。他們發(fā)現(xiàn)，在鈣鈦礦薄膜中混雜一定量的CuSCN可以大大增加薄膜的空穴遷移率，而對(duì)電子遷移率幾乎沒(méi)有太大的影響。進(jìn)一步的瞬態(tài)熒光光譜表征也表明：混雜在鈣鈦礦薄膜中的CuSCN可以非常有效地促進(jìn)空穴從鈣鈦礦層向ITO透明電極的傳輸，從而達(dá)到空穴和電子傳輸?shù)钠胶狻Ｆ渥饔脵C(jī)理可能是：CuSCN是p-型半導(dǎo)體，且其價(jià)帶能級(jí)(－5.3 eV)和鈣鈦礦的價(jià)帶能級(jí)(－5.4 eV)非常接近，因此，附著在鈣鈦礦晶粒表面的CuSCN具有類似“橋梁”的作用，可以輔助空穴跨越鈣鈦礦晶粒表面的深能級(jí)缺陷態(tài)，達(dá)到鈍化缺陷的目的，促進(jìn)空穴的有效傳輸，進(jìn)而提高電池的性能。

最后應(yīng)該指出的是，該工作中所使用的p-型半導(dǎo)體CuSCN并不是這類新結(jié)構(gòu)電池的唯一或最佳的選擇，其他的p-型半導(dǎo)體的添加有可能取得更高的效率，并進(jìn)一步提高電池穩(wěn)定性。因此，優(yōu)化選擇p-型半導(dǎo)體的工作還有待深入。

該研究成果已在最近的Advanced Materials雜志上發(fā)表4。

(1) http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg

(2) You,J.;Meng,L.;Song,T.B.;Guo,T.F.;Yang,Y.M.;Chang, W.H.;Hong,Z.;Chen,H.;Zhou,H.;Chen,Q.;Liu,Y.;Marco, N.D.;Yang,Y.Nat.Nanotechnol.2016,11,75.doi:10.1038/ nnano.2015.230

(3) Yan,W.;Ye,S.;Li,Y.;Sun,W.;Rao,H.;Liu,Z.;Bian,Z.; Huang,C.Adv.Energy Mater.2016,doi:10.1002/ aenm.201600474

(4) Ye,S.;Rao,H.;Yan,W.;Li,Y.;Sun,W.;Peng,H.;Liu,Z.;Bian, Z.;Li,Y.;Huang,C.Adv.Mater.2016,doi:10.1002/ adma.201603850

10.3866/PKU.WHXB201610141