Monthly Archives: 六月 2017

近期，本课题组在钙钛矿电池稳定性方面取得多项重要进展，研究成果包括1篇《Advanced Funtional Materials》，2篇《Nano Energy》，1篇《Journal of Materials Chemistry A》，1篇《Solar RRL》。 近年来，有机无机杂化MAPbX3 (X=Cl, Br和I)钙钛矿材料由于其卓越的光电性能而受到广泛关注。钙钛矿太阳能电池因其效率高、成本低而受到广泛专注。短短数年之间，光电转换效率已经从2009年报道的3.8%迅速提高到了22.1%。 虽然钙钛矿电池取得了优异性能，但是长期以来制约其商业化的一个难题是其稳定性问题。一方面钙钛矿材料本身不稳定，对湿度非常敏感，易分解引起性能衰减，另一方面钙钛矿电池中常用的spiro空穴传输材料会加速器件的降解。Spiro本身空穴迁移率很低，为了增加其迁移率通常需要使用添加剂，而添加剂非常亲水，又容易在spiro薄膜中发生迁移形成大量孔洞，导致空气中水分的渗入或者Au电极与钙钛矿的直接接触，引起器件性能的快速衰减。 课题组针对这些问题在前期研究了采用SnO2纳米片隔绝水汽，阻止钙钛矿的相分离，从而提高电池稳定性的方法(Advanced Functional Materials, 2016, 26(33): 6069-6075.); 研究了通过采用自组装的SAM层修饰电子传输层表面，减缓钙钛矿材料的分解，提高电池的效率和稳定性( Journal of Materials Chemistry A，2017, 5, 1658-1666)；研究了通过采用稳定性更好的八甲基取代的酞氰铜CuMe2Pc来取代spiro，进一步提高了电池的稳定性(Nano Energy, 2017, 31: 322-330.)。 最近，课题组在采用金属硫化物材料提高钙钛矿电池稳定性方面取得了重要系列进展。与中科院化学所李永舫院士、张志国教授课题组合作，研究人员通过真空热蒸发法技术在spiro薄膜表面引入一层无机p型空穴传输材料硫化铜(CuxS)，制备出了高品质的空穴传输薄膜和器件。 CuxS薄膜常温沉积，无需后退火，具有很高的空穴迁移率(4.47 cm2 V−1 s−1)，提升了器件的空穴抽取效率。更为重要的是CuxS平整致密，可以填充spiro薄膜表面因Li离子迁移引起的孔洞，而且其具有优异的疏水性(水接触角91.64°)，可以抵抗空气中 的水分侵蚀，大大提高了器件在潮湿空气中的稳定性。基于CuxS的钙钛矿电池光电效率达到了18.58%,在湿度40%的空气中保存1000小时可保持90%以上的初始效率。该成果以《使用高迁移率、常温沉积的的硫化铜作为空穴传输传输层增强钙钛矿电池性能》“Incorporation of High-Mobility and Room-Temperature-Deposited … Continue reading →

钙钛矿作为一种新型的吸光材料，具有合适的带隙、理想的电子空穴扩散长度、高的吸光系数等特性。这些优势使得钙钛矿太阳能电池在几年之内迅速成为全球的研究热点，其优异的光伏性能已达到与硅太阳能电池相当的水平，并且制备工艺简单，成本低廉，显现出巨大的商业化潜力。 二氧化锡作为一种新型的电子传输层材料，具有的高迁移率、减反增透、以及可以低温制备等优点，显现出巨大的应用前景。进一步优化基于二氧化锡电子传输层的钙钛矿太阳能电池的性能，对于发展钙钛矿太阳能电池具有重要的意义。对于平面结构的电池来说，致密的电子传输层在电子传输以及空穴阻挡过程中发挥重要的作用，但是，研究发现，单层的电子传输层在有效地传输电子的过程中往往不能够充分的保证阻挡空穴的复合。如果增加电子传输层的厚度会引起高的串联电阻，但是减小电子传输层厚度后，又容易产生漏电。由于这些因素的限制，单层的电子传输层可能不能够充分的阻挡电子和空穴的复合，进而对器件的性能产生不利的影响。 减小界面的载流子的复合以及电荷传输过程中的能量损失，是进一步提升电池性能的有效手段。众多的科研工作者尝试改善电子传输层和钙钛矿之间的界面，并且取得显著的成效，然而对于阳极和电子传输层之间的界面问题并没有引起足够多的重视。氧化镁作为一种宽带隙的自旋电子学隧穿材料，能够在抑制电子和空穴的复合的问题上发挥独特的作用。 课题组的研究人员马俊杰等，应用宽带隙的氧化镁纳米层，修饰钙钛矿太阳能电池的二氧化锡电子传输层和阳极之间的界面，形成二氧化锡/氧化镁双薄层结构，实现了有效的电荷输运和空穴阻挡特性，使器件性能得到显著提高。通过n-i-p异质结工作机制的进一步分析，阐释了氧化镁对于电荷输运和减小复合作用的机理。MgO一方面由于其低的价带位置有效地抑制了界面中电子和空穴的复合，减小了漏电流，另一方面，钝化了阳极的表面缺陷，改善了氧化锡的成膜质量。通过这一简单的方法，钙钛矿太阳能电池器件获得了18.82%的光电转换效率。 此项研究将会为进一步提高二氧化锡体系的钙钛矿界性能打开了一扇窗户，并为解决钙钛矿界面修饰的问题提供新的思路。相关论文在线发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201700031)上，并为2017年5月该刊下载排行榜前10的Top1。

本课题组与湖北大学王浩教授合作，在钙钛矿太阳能电池研究领域取得进展。该成果以《基于室温沉积空穴阻挡层的体异质结钙钛矿太阳能电池：抑制回滞和柔性光伏应用》“Bulk heterojunction perovskite solar cells based on room temperature deposited hole-blocking layer: Suppressed hysteresis and flexible photovoltaic application”为题，于2017年3月27日在线发表在国际权威刊物《Journal of Power Sources》(IF:6.395)上。论文第一作者是2015级硕士生陈志亮。 最近几年，基于有机-无机杂化钙钛矿材料的太阳能电池迅速发展，效率在短短几年内从3.8%提升至22.1%。然而，在电池效率快速提高的同时，钙钛矿太阳能电池依然面临着一些问题，例如，在高效率太阳能电池中经常用到的电子传输材料TiO2，往往需要高温（500℃）烧结才能展现较好性能，这无疑增加了电池的生产能耗，延长了电池的能量回收周期，而且不利于将来发展柔性光伏器件；另一个困扰钙钛矿太阳能电池研究者的问题就是在电池测量过程中出现的回滞现象：随着扫描电压的方向与速度不同，代表电池性能的J-V曲线没有重合，这使得电池的真实性能得不到确定。 以期解决上述钙钛矿太阳能电池中出现的问题，我们用一种简单的两步旋涂方法，在钙钛矿吸光层中引入富勒烯衍生物（PCBM），来形成钙钛矿-PCBM体异质结太阳能电池，相较于之前，电池的回滞得到显著的抑制。同时，在室温条件下，我们运用脉冲激光沉积（PLD）技术制备SnO2空穴阻挡层，最终，基于这种常温空穴阻挡层的体异质结钙钛矿太阳能电池在刚性FTO和柔性ITO-PEN衬底上分别取得了17.29%和14.0%的光电转换效率。 该工作得到了国家863计划及国家自然科学基金等项目的支持。 全文链接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775317303944