作者:王占国等 来源:EES 发布时间:2017/12/13 11:44:50
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半导体所钙钛矿太阳电池研究取得进展

 

近几年,有机无机杂化钙钛矿太阳电池被广泛关注。该材料具有带隙可调、吸收系数高、载流子寿命长和载流子迁移率高等优点。钙钛矿太阳电池被报道的最高效率已超过20%。近日,中国科学院院士、中科院半导体研究所半导体材料科学重点实验室王占国课题组,在钙钛矿太阳电池载流子输运管理研究方面取得了新进展。
 
作为有源层的有机无机杂化钙钛矿材料对电池效率起关键作用,而单纯依靠优化钙钛矿薄膜来提高电池的效率已处于瓶颈期。这需要针对光电转换的物理过程,对电池结构进行系统设计。在此背景下,该团队构建了典型的P–I–N结构,系统研究了钙钛矿太阳电池内部光生激子产生、分离,以及载流子输运和收集的影响因素。
 
1、阴极功函数的作用机制
 
电极功函数与有源层费米能级的差值影响能带弯曲和界面层偶极矩,这对载流子输运有重要影响。采用典型的倒结构钙钛矿太阳电池,控制金属缓冲层的功函数调整电池有源层界面处的能带弯曲,有利于电子的输运和收集,进而促进光生激子的产生和分离效率。该研究成果发表在Small上,研究工作得到科技部国家重点基础研究发展计划(973计划)的资助。
 
2、载流子的输运管理
 
从高效分离、输运和收集光生载流子的角度来设计高效倒结构钙钛矿太阳电池。采用乙酰丙酮锆(ZrAcac)修饰Al电极,使PC61BM电子迁移率提高,同时降低缺陷态密度,表现为电池中电荷输运电阻降低,实现阴极对电子的高效收集;采用Cu掺杂优化NiOx空穴传输层,Cu的存在可以提升NiOx层的空穴迁移率,同时Cu掺杂可调整NiOx的能级位置,在开路电压损失最小的情况下,达到有利于空穴传输的目的;采用高电导率的FTO玻璃衬底,可避免在NiOx退火时造成阳极电导率的衰退,使电池中电荷输运电阻进一步降低,提高电池的填充因子。电池的光电转换效率达到20.5%。研究成果发表在Energy & Environmental Science上,研究工作得到了科技部国家重点基础研究发展计划(973计划)的资助。(来源:中科院半导体研究所
 
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图1.(a)不同阴极功函数电池的Jph随Veff的变化曲线,插图为对应电池的Gmax值(b)不同阴极功函数电池的P(E,T)随Veff的变化曲线,插图为在短路电流状态下,对应电池的P(E,T),
 
 
图2.钙钛矿太阳电池IV曲线和能带结构示意图(左),钙钛矿太阳电池截面的SEM图(右)。
 

 

 
 
 
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