Nature Commun: 上海科技大学宁志军报道茚-C60双加合物(ICBA)电子传输层锡基太阳能电池效率提升至12.4 %

纳米技术

2020-03-24

铅基钙钛矿材料具有一些缺点：铅有着比较严重的毒性、根据Shockley–Queisser公式，铅基钙钛矿的效率值限制为<31 %。人们认为锡基钙钛矿太阳能电池可能有一定优势，特别是其无毒性的特点和理论上的极限效率较高。锡基钙钛矿具有很好的光伏特性，吸光系数较高，载流子迁移率较高，带隙宽度合适等优点。目前在各种非铅基钙钛矿材料中，锡基钙钛矿的工作效率最高。但是实际操作中，人们发现锡基钙钛矿太阳能电池有着低电压、低效率等问题。目前文献报道的锡基钙钛矿太阳能电池开路电压一般为0.6 V，远低于铅基钙钛矿太阳能电池的能带对应值（1.35 eV），有>0.7 V的电压损失。

       其中，电子传输材料的LUMO位置较低可能是导致电压损失的原因，比如C₆₀、PCBM等。因此，上海科技大学宁志军等通过在锡基钙钛矿太阳能电池中引入具有高能级的茚-C60双加合物（ICBA）用于电子传输材料实现了改善这些问题。由于茚-C60的能级更高，钙钛矿和传输层界面上载流子的复合过程得以抑制。通过使用ICBA作为电子传输层，锡基钙钛矿电池的开路电压提升为0.94 V（与之相比，使用PCBM材料作为电子传输层的太阳能电池开路电压为0.6 V），并得到了12.4 %的电池效率。电池器件在工作3800 h后依然能保持90 %的工作效率。

本文要点

（1）使用一步反溶剂法制备了钙钛矿薄膜（通过在PEDOT基底上生长实现对钙钛矿薄膜结晶过程和生长方向的控制，通过加入NH₄SCN实现控制钙钛矿薄膜生长动力学）。通过XRD测试发现加入NH₄SCN实现了钙钛矿结晶性的提高（峰强度提高，峰宽度降低，说明钙钛矿的晶体颗粒更大）。通过GIWAXS对钙钛矿薄膜的微结构进行表征，发现加入NH₄SCN后，钙钛矿薄膜实现了沿着[100]方向的生长。通过UVVIS对钙钛矿薄膜的光吸收情况进行表征，发现加入NH₄SCN后，吸收带边位置在905 nm。通过UPS对钙钛矿的费米能级和VBM位置进行表征，发现费米能级位置为-4.52 eV，VBM位置为-5.08 eV。

（2）制作了基于ITO/PEDOT/Perovskite/ICBA or PCBM/Ag结构的太阳能电池。基于ICBA电子传输层的锡基钙钛矿太阳能电池的开路电压为0.94 V，电池效率为12.4 %。（电池认证参数：开路电压0.94 V，电流密度：17.4 mA/cm²，填充因子：75 %。）

         对比电池（使用PCBM作为电子传输层的太阳能电池）的电池效率7.7 %（开路电压为0.6 V）。

（3）通过表面电压分布测试对太阳能电池的复合情况、缺陷浓度进行表征。通过时间分辨荧光光谱对荧光衰减情况进行表征。发现使用ICBA和PCBM的太阳能电池中荧光衰减情况分别为（ICBA：τ₁=1.1 ns, τ₂=12.1 ns， PCBM： τ₁=0.25 ns, τ₂= 2.2 ns）

         通过瞬态光电压（TPV）和瞬态光电流（TPC）测试了太阳能电池的缺陷态浓度。数据发现使用NH₄SCN的太阳能电池在能带区间内（特别是在导带附近）的缺陷态密度较低。因此通过这种缺陷态抑制作用，实现了提高太阳能电池的工作效率。

参考文献

Xianyuan Jiang, Fei Wang, Qi Wei, Hansheng Li, Yuequn Shang, Wenjia Zhou, Cheng Wang, Peihong Cheng, Qi Chen, Liwei Chen, and Zhijun Ning*

Ultra-high open-circuit voltage of tin perovskite solar cells via an electron transporting layer design

Nature Commun 2020, 11, 1245 DOI: 10.1038/s41467-020-15078-2

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15078-2