《電子技術(shù)應(yīng)用》
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新型高效平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池出世

2016-11-22

       鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是近幾年興起的一類具有巨大應(yīng)用前景的太陽(yáng)能電池,它具有光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低以及制備工藝簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過幾年的快速發(fā)展,鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率已從初始的3.8%迅速提高到22.1%,已接近或超過傳統(tǒng)高效薄膜太陽(yáng)能電池(如銅銦鎵硒或碲化鎘等),進(jìn)一步發(fā)展,可與硅及砷化鎵等單晶太陽(yáng)能電池媲美。

  目前高效的鈣鈦礦電池均采用低溫致密TiO2與高溫多孔TiO2相結(jié)合的介孔結(jié)構(gòu)作為電子傳輸層,但介孔層制備溫度較高、工藝過程較為復(fù)雜,不利于大規(guī)模生產(chǎn)。近年來,人們發(fā)現(xiàn)有機(jī)/無機(jī)雜化的鈣鈦礦材料具有幾微米甚至長(zhǎng)達(dá)上百微米載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度,遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的有機(jī)半導(dǎo)體幾十納米的擴(kuò)散長(zhǎng)度。鑒于鈣鈦礦自身優(yōu)異的電荷傳輸能力,可完全不需要借助高溫?zé)Y(jié)TiO2介孔層來輔助電子傳輸,制備簡(jiǎn)單平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。

  平面結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池具有制備工藝簡(jiǎn)單、低溫制備且與柔性器件制備工藝兼容等優(yōu)勢(shì)。但人們廣泛研究的基于TiO2致密層的鈣鈦礦電池存在嚴(yán)重“電滯”現(xiàn)象,在反向測(cè)量(從開路電壓掃到短路電流)條件下能獲得較高效率,但正向測(cè)量(從短路電流掃到開路電壓)時(shí)效率較低,使得人們不能正確評(píng)判這類電池光電轉(zhuǎn)換效率?!半姕爆F(xiàn)象一直困擾平面鈣鈦礦電池研究,導(dǎo)致該現(xiàn)象可能的原因包括:鈣鈦礦層中離子移動(dòng)、鈣鈦礦/電子傳輸層TiO2界面缺陷或能級(jí)排布差異等形成的勢(shì)壘,以及TiO2低的電子遷移率等阻礙了電子從鈣鈦礦到電子傳輸層的有效輸運(yùn)。近來,人們利用具有離子鈍化作用及快速電荷轉(zhuǎn)移能力的富勒烯材料改性TiO2致密層表面,增強(qiáng)了電子的抽取,有效減少了“電滯”現(xiàn)象。但富勒烯存在價(jià)格昂貴、在空氣中不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。因此,開發(fā)一類低成本、穩(wěn)定的具有強(qiáng)電子抽取能力的電荷傳輸層至關(guān)重要。

  最近,中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員游經(jīng)碧與張興旺等利用比TiO2導(dǎo)帶能級(jí)深、遷移率高的無機(jī)穩(wěn)定的金屬氧化物SnO2取代傳統(tǒng)的TiO2作為鈣鈦礦電池的電子傳輸層,降低了鈣鈦礦與電子傳輸層之間的勢(shì)壘,加快電子從鈣鈦礦到電子傳輸層的轉(zhuǎn)移,減少了界面電荷積累。他們研制出了基于SnO2電子傳輸層的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦電池(圖1a),實(shí)驗(yàn)證實(shí)了SnO2可顯著提高電子從鈣鈦礦吸收層到電子傳輸層的轉(zhuǎn)移速率(圖1b),所制備的電池基本無“電滯”現(xiàn)象(圖1c)。此外,借助鈣鈦礦層退火形成過程中稍過量加熱生成少量PbI2鈍化鈣鈦礦晶界的作用,減少?gòu)?fù)合過程,獲得了光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)19.9±0.6%的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦電池,并得到了美國(guó)光伏論證機(jī)構(gòu)Newport的權(quán)威認(rèn)證。這些結(jié)果展示了獲得高效無“電滯”平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦電池是完全可行的,為制備高效無電滯鈣鈦礦太陽(yáng)能電池提供了新的方向和思路,有力推進(jìn)了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的進(jìn)一步發(fā)展。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在最近出版的《自然-能源》期刊上(Q.Jiangetal.,NatureEnergy,1,16117(2016))。

  博士生蔣琦是該文章的第一作者,游經(jīng)碧與張興旺是該論文的通訊作者。該工作得到了中組部青年千人計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市科委以及國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的經(jīng)費(fèi)支持。

  圖1:(a)高效平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦電池掃描電子顯微鏡截面圖,(b)鈣鈦礦在不同界面上的穩(wěn)態(tài)熒光譜以及(c)利用SnO2納米顆粒作為電子傳輸層的鈣鈦礦電池在正向測(cè)量和反向測(cè)量條件下的電流-電壓曲線。


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