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Advanced Functional Materials發表方國家課題組鈣鈦礦太陽電池及電子隧穿材料研究新成果

來源:  發布時間:2018-08-30 14:36:32 點擊次數:

發展清潔可持續的能源對人類社會的發展非常重要。太陽能作為一種可持續的清潔能源,可以利用太陽電池將光能直接轉化為電能,為人類提供源源不斷的能源。

鈣鈦礦太陽能電池因其效率高、成本低而受到廣泛關注。目前轉化效率已經可以和硅基的太陽能電池相媲美。有機無機雜化鈣鈦礦材料具有高吸光系數、高的載流子遷移率、較低的激子結合能、較長的載流子壽命,以及帶隙可控、低成本和可溶液法制備等特點,在激光、發光二極管、光電探測器、單層及疊層太陽能電池領域都展現出巨大的發展潛力。提高其穩定性(包括光穩定性,濕度穩定性,熱穩定性以及長期穩定性等)是其走向工業化實際應用的關鍵。

倒置結構鈣鈦礦太陽電池、具有器件工藝重復性好、器件回滯小等優勢,但其鈣鈦礦體內缺陷及界面缺陷導致的不穩定性需要有效抑制。在倒置結構的電池中,金屬電極特別容易擴散滲透到鈣鈦礦層中并發生化學反應造成嚴重的漏電,使器件性能快速下降。所使用的電子傳輸材料大部分都是有機材料,外界的水汽,氧氣等很容易與其及鈣鈦礦直接反應,使器件受損。

我院方國家教授課題組,與劉昌教授課題組和美國托萊多大學鄢炎發教授合作,將寬帶隙金屬氧化物半導體材料氧化鎵(Ga2O3)應用在倒置結構的鈣鈦礦太陽能電池中作為電子隧穿層和保護層。 研究人員使用原子層沉積工藝在金屬電極和電子傳輸層界面沉積了高質量超薄的Ga2O3納米層。研究發現,一方面,由于薄的Ga2O3層能夠使電子有效地隧穿,同時Ga2O3寬的帶隙和低的價帶位置可大大抑制了載流子的界面復合,有效改善了界面的接觸,減少了漏電情況,提升了電池性能。另一方面,Ga2O3作為無機材料,顯現了出色的環境穩定性。它能夠抑制銀電極材料向鈣鈦礦吸光層內的滲透,隔絕空氣中水分對電池的直接侵蝕,從而使器件的穩定性能得到明顯的改善。

通過Ga2O3薄膜的界面修飾,綠色環保的乙酸乙酯反溶劑的使用以及稠環結構有機小分子(IDIC)對薄膜的缺陷鈍化,研究人員制備出了基于Ga2O3保護層的梯度體異質結倒置鈣鈦礦太陽能電池,并獲得了19.86%的光電轉換效率。該成果以“Effcient and Stable Nonfullerene-Graded Heterojunct Inverted Perovskite Solar Cells with Inorganic Ga2O3 Tunneling Protective Nanolayer”為題在國際權威期刊《Advanced Functional Materials》在線發表。文章署名第一單位為MG娱乐官网。論文第一作者為博士生馬俊杰。

該工作得到了國家科技部863計劃,國家自然科學基金委等相關項目的支持。


圖(a)器件結構示意圖(b)梯度體異質結鈣鈦礦薄膜制備示意圖

(c)器件能帶結構圖(d)器件效率及回滯圖

(e)提升器件穩定性原理圖(f)器件穩定性表現

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