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基于低温溶液法制备CuCrO2空穴传输层的高效、高光稳定钙钛矿太阳能电池

在短短几年间,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经突破22%,然而其对湿度和光照的稳定性是限制其工业化生产的重要因素。虽然近年来,科研工作者通过多种手段提高钙钛矿太阳能电池对湿度的稳定性,但是钙钛矿太阳能电池的光稳定性研究较少,尤其是紫外光(<400 nm)稳定性。目前降低紫外光对钙钛矿的分解主要有两种途径:一种是将钙钛矿吸收的紫外光转换成可见光;另一种是制备紫外光阻挡层,将紫外光过滤。在顺式n-i-p结构中已有报道BaSnO3作为电子传输层抑制紫外光对钙钛矿的分解,但是在反式p-i-n结构的钙钛矿太阳能电池中,如何降低紫外光对钙钛矿层的分解是亟待解决的问题。最近,华中科技大学武汉光电国家科学中心的陈炜教授课题组与香港科技大学杨世和教授,华盛顿大学Alex K.-Y. Jen教授合作,通过低温溶液法制备致密的CuCrO2空穴传输层并将其应用在反式p-i-n钙钛矿太阳能电池中取得19%的光电转换效率,同时发现,CuCrO2空穴传输层能够吸收紫外光从而降低紫外光对钙钛矿的破坏,最终提高钙钛矿太阳能电池的光稳定性。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Energy Materials上(影响因子:16.72)。

CuCrO2是ABO2的铜铁矿结构,具有较高的空穴迁移率和电导率,同时其价带位置与钙钛矿的价带位置匹配(如图1所示),最重要的是CuCrO2吸收部分紫外光有效地抑制了紫外光对钙钛矿膜的破坏。通过水热法得到尺径<10 nm的均匀的CuCrO2纳米颗粒,并制备分布均匀致密的CuCrO2薄膜。通过优化CuCrO2薄膜的厚度,发现随着膜厚的增加,CuCrO2薄膜的紫外区的透过率显著降低,而可见光区的透过率变化较小。说明CuCrO2薄膜在保证可见光区的透过率的同时能够吸收紫外光,如图2所示。

基于低温溶液法制备CuCrO2空穴传输层的高效、高光稳定钙钛矿太阳能电池

图1 (a)CuCrO2的晶体结构,(b)钙钛矿太阳能电池的结构示意图,(c)对应的能级图。

基于低温溶液法制备CuCrO2空穴传输层的高效、高光稳定钙钛矿太阳能电池

图2 (a-f)分别是CuCrO2的XRD图,TEM图,颗粒大小分布图,TEM图,HR-TEM图和相应的SAED图,(g)CuCrO2薄膜的SEM图,(h)CuCrO2薄膜的AFM图,(i)不同厚度的CuCrO2薄膜的透过率图。

将CuCrO2作为空穴传输层应用在钙钛矿太阳能电池中,对比低温NiO,发现在CuCrO2基底上的钙钛矿的晶体颗粒较大。通过PL测试发现,钙钛矿能够更有效地将空穴注入至CuCrO2。对比两者的器件性能,发现CuCrO2的器件性能为19.0%而NiO的器件性能为17.1%(如图3所示),主要是因为CuCrO2的空穴迁移率和电导率较高且能够更有效地提取钙钛矿中的空穴

基于低温溶液法制备CuCrO2空穴传输层的高效、高光稳定钙钛矿太阳能电池

图3 (a)基于CuCrO2的钙钛矿的SEM图,(b)钙钛矿,钙钛矿/CuCrO2以及钙钛矿/NiO的PL图,(c)钙钛矿太阳能电池的截面SEM图,(d)CuCrO2和NiO两种器件的JV曲线图,(e)两种器件的IPCE图,(e)两种器件效率分布的相状图。

 为了证明CuCrO2能够提高器件的紫外光稳定性,将NiO和CuCrO2的两种器件均暴露在紫外灯下照射1000 h,发现CuCrO2的器件性能仅降低约10%而NiO的器件性能衰减了30%(如图4所示)。

基于低温溶液法制备CuCrO2空穴传输层的高效、高光稳定钙钛矿太阳能电池

图4 (a)CuCrO2和NiO两种膜的UV-vis图,(b)CuCrO2和NiO两种器件的光稳定性测试示意图,(c-f)CuCrO2和NiO器件在紫外灯照射下的VOC,JSC,FF 以及PCE随时间的演变图。

材料制备过程

CuCrO2和NiO的薄膜制备: CuCrO2和NiO的纳米颗粒的合成方法参考之前的文献。高质量的CuCrO2的薄膜制备是将CuCrO2的纳米颗粒分散在去离子水与无水乙醇的混合溶剂中,通过调整两种溶剂的比例再通过旋涂法得到。NiO的薄膜是将NiO的纳米颗粒分散在去离子水中通过旋涂法得到。

钙钛矿MAPbI2的制备:将MAI (1.6 M) 和 PbI2(1.6 M)的粉末溶解在体积比为4:1的DMF:DMSO的混合溶剂中搅拌得到亮黄色清澈的溶液。将所得到的溶液滴到基底上,在6000rpm/s的条件下旋转30s,当旋转至第10s时,用100μl的氯苯进行萃取,将其放置在100°C 条件下退火10min得到钙钛矿膜。

PCBM膜的制备:将20mg/ml的PCBM的氯苯溶液滴至钙钛矿膜上,在1500rpm/s条件下旋转30s,将得到的膜在70°C退火10min。

BCP膜的制备:将BCP的甲醇饱和溶液滴在PCBM上,在6000rpm/s的转速下旋转30s。

Ag电极的制备:采用热蒸发蒸镀一层~80 nm厚的Ag作为金属电极。

 该工作得到中国国家自然科学基金(51672094, 51661135023),中国国家重点研发项目(2016YFC0205002),华中科技大学自主创新研究基金,美国国家科学基金(DMR-1608279),美国海军研究办公室(N00014-17-1-2260)以及香港创新科技基金(ITS/219/16)的支持。

 Hua Zhang, Huan Wang, Hongmei Zhu, Chu-Chen Chueh, Wei Chen, Shihe Yang, Alex K.-Y.Jen, Low-Temperature Solution-Processed CuCrO2 Hole-Transporting Layer for Efficient and Photostable Perovskite Solar Cells, Adv. Energy Mater., 2018, DOI:10.1002/aenm.201702762

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