鈣鈦礦太陽能電池由于具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率(> 22.7%)，被研究人員認(rèn)為是近年來最有希望解決能源問題的途徑之一。然而，傳統(tǒng)有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦吸光材料的穩(wěn)定性卻成為其商業(yè)化的最大障礙。為此，研究人員嘗試開發(fā)新型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)吸光劑。其中，具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CsPbBr3表現(xiàn)出非常優(yōu)異的光學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性，是一種較為理想的電池材料，目前已通過技術(shù)優(yōu)化、界面優(yōu)化等方式將電池效率提升至13%以上。但該類電池仍存在一定的問題：首先，傳統(tǒng)的二氧化鈦電子傳輸層不僅需要較高的煅燒溫度，不利于柔性器件的制備，而且在紫外光照射條件下會對鈣鈦礦材料具有嚴(yán)重的降解作用;其次，目前常用的空穴傳輸層中吸濕性添加劑的存在也會降低電池的穩(wěn)定，增加生產(chǎn)成本，不利用電池的商業(yè)化進(jìn)程。因此，如何改善CsPbBr3無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池的制備過程，降低制備溫度以及生產(chǎn)成本是目前急需解決的問題之一。

成果簡介

近日，暨南大學(xué)新能源技術(shù)研究院唐群委教授(通訊作者)構(gòu)建了一種簡化的無機(jī)鈣鈦礦電池器件，其基本結(jié)構(gòu)為FTO/CsPbBr3/Carbon。研究人員避免了傳統(tǒng)電子傳輸層以及空穴傳輸層的使用，簡化了電池的結(jié)構(gòu)以及制備過程，同時該結(jié)構(gòu)的電池器件在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下獲得2.35%的光電轉(zhuǎn)換效率。與傳統(tǒng)的電池結(jié)構(gòu)相比，該器件的性能較低，其主要原因可以歸結(jié)為：界面間的能級差較大，電荷提取能力較弱，造成嚴(yán)重的界面電荷復(fù)合現(xiàn)象。為此，研究人員進(jìn)一步利用石墨烯量子點和CsPbBrI2鈣鈦礦量子點進(jìn)行界面修飾，將電池效率提升至4.1%。相關(guān)成果以題為“Simplified Perovskite Solar Cell with 4.1%-Efficiency Employing Inorganic CsPbBr3 as Light Absorber”發(fā)表在Small雜志上。

圖文簡介

圖一 電池器件的組裝過程以及相關(guān)的表征

(a)CsPbBr3的制備過程;

(b)PbBr2和CsPbBr3薄膜的表面形貌;

(c)無機(jī)鈣鈦礦電池的SEM斷面圖和能級圖;

(d)CsPbBr3的紫外吸收曲線;

(e)CsPbBr3的帶隙計算;

(f)CsPbBr3的XRD圖譜;

圖二 電池器件的光伏性能表征

(a)不同電池結(jié)構(gòu)的J-V曲線;

(b)不同電池結(jié)構(gòu)的IPCE曲線;

(c)不同電池結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)輸出曲線;

(d)電池的效率分布;

圖三 電子復(fù)合表征

(a)量子點修飾前后鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)態(tài)PL測試;

(b)量子點修飾前后鈣鈦礦薄膜時間分辨熒光光譜;

(c)短路電流密度與光強(qiáng)的關(guān)系曲線;

(d)開路電壓與光強(qiáng)的關(guān)系曲線;

圖四 電池的穩(wěn)定性能