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利用水热处理的SnO2制备高效柔性钙钛矿太阳能电池

【研究背景】

钙钛矿太阳能电池可溶液加工和可低温制备的特点使得以极低成本制备大面积柔性太阳能电池成为可能,这将开辟出晶硅太阳能电池无法企及的具有上万亿规模的巨大市场。虽然目前钙钛矿太阳能电池在固态基地上的效率和稳定性都取得了长足的进步,但是柔性钙钛矿太阳能电池的研发仍然是国内外研究的难点,相比于固态基底,柔性基底上电池器件的效率仍然偏低。其中,正型钙钛矿太阳能电池中采用的电子传输层材料多选用金属氧化物半导体材料,这些金属氧化物通常需要在较高的温度下进行煅烧才能获得比较好的性能。而柔性基底通常是不能耐高温的,高温煅烧会造成柔性基底的形变甚至分解。因此,目前亟需开发低温条件下得到高质量的电子传输层材料的方法,从而得到更高效率的柔性钙钛矿太阳能电池器件。

【工作介绍】

近日,南方科技大学徐保民课题组等人利用采用水蒸气处理的方法,在低温条件下(<100℃)制备得到结晶度高且表面清洁的 SnO2 电子传输层,基于这种低温制备的 SnO2 的钙钛矿太阳能电池器件在柔性基底上获得了18.1%的效率(认证效率17.3%),并且柔性器件在空气中储存30天或弯折1000次之后仍能保持85%以上的初始效率具有良好的稳定性。该文章以“Hydrothermally Treated SnO2 as the Electron Transport Layer in High-Efficiency Flexible Perovskite Solar Cells with a Certificated Efficiency of 17.3%”发表在国际顶级期刊 Advanced Functional Materials 上(DOI:10.1002/adfm.201807604)。刘畅为本文第一作者。

【核心表述】

利用水热处理的SnO2制备高效柔性钙钛矿太阳能电池 图1 水热处理和传统高温煅烧处理制备二氧化锡薄膜示意图。

如图1所示,本文制备二氧化锡薄膜采用先旋涂沉积SnO2纳米颗粒水溶液的方法得到致密的SnO2薄膜,然后采用高温高压的水蒸气对SnO2薄膜进行处理,相比传统的热退火处理,使用的温度可以从150℃降低至100℃即可有效除去SnO2薄膜表面吸附的表面活性剂并且提高SnO2纳米颗粒的结晶度。本文考察了基于未处理SnO2薄膜、热退火处理SnO2薄膜和水热处理SnO2薄膜制备的钙钛矿太阳能电池光电性能。结果表明基于未处理SnO2薄膜制备的钙钛矿太阳能电池其光电转换效率PCE只有14.3%。这是由于未处理的SnO2薄膜表面存在大量的表面活性剂并且其结晶度很低,因此电荷传输效率较低,从而导致器件性能的下降。采用传统高温150℃热退火处理之后,SnO2薄膜的性能得到一定的提高,因此可以使得器件的PCE提高到19.4%。而本文发展的水热处理法借助高温高压的水蒸气,可以在更低的温度下(100℃)提高SnO2的结晶度和表面清洁度,从而实现20.3%的PCE。

利用水热处理的SnO2制备高效柔性钙钛矿太阳能电池图2 柔性钙钛矿太阳能电池效率、稳定性和认证报告。

由于本文发展的水热法处理所需的温度很低,因此非常适合用于制备柔性钙钛矿太阳能电池。从图2中可以看出,基于水热处理SnO2薄膜制备的柔性钙钛矿太阳能电池具有较高的PCE(18.1%)并且迟滞非常小。柔性器件的认证效率为17.3%,这也是目前最高的柔性钙钛矿太阳能电池的认证效率。所得器件在空气中储存30天或弯折1000次之后仍保持较高的效率,表现出良好的稳定性。本文发展的低温水热处理金属氧化物薄膜的方法操作简单,效果明显,因此可以很容易的拓展到对其他电子传输层材料的应用领域,从而助力柔性钙钛矿太阳能电池的研究和发展。

Chang Liu, Luozheng Zhang, Xianyong Zhou, Jishu Gao, Wei Chen, Xingzhu Wang, Baomin Xu, Hydrothermally Treated SnO2 as the Electron Transport Layer in High‐Efficiency Flexible Perovskite Solar Cells with a Certificated Efficiency of 17.3%, Adv. Funct. Mater., 2019, DOI:10.1002/adfm.201807604

作者简介

    刘畅,南方科技大学研究助理教授,目前在钙钛矿太阳能电池领域已发表论文20余篇,其中第一作者身份发表10篇。徐保民,南方科技大学讲席教授,材料系副主任,国家千人计划专家,主要致力于钙钛矿太阳能电池及其他新型清洁能源材料和器件的研究。

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参考文献:Adv. Funct. Mater.

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