界面配位化学研究助力钙钛矿太阳能电池的性能提升

发布日期:2018-2-1     浏览次数:1546次    发布者:黄伟珺    

     我院郑南峰教授课题组在钙钛矿太阳能电池方面的界面配位化学研究方面取得重要进展,相关成果以“Efficient, Hysteresis-free and Stable Perovskite Solar Cells with ZnO as Electron Transport Layer: Effect of Surface Passivation”为题,在线发表于《先进材料》(Adv. Mater. DOI:10.1002/adma.201705596)。


                              
      在短短几年里,有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池得到迅速发展,其光电转换效率从3.8%上升到22.7%。无机半导体材料ZnO具有较高的电子迁移率,有望作为一种优异的电子传输层材料以实现高性能的钙钛矿太阳能电池。然而,ZnO和钙钛矿层之间的化学相容性很差,钙钛矿层的质子化甲基铵阳离子很容易被直接接触的ZnO(碱性氧化物)夺去质子而造成钙钛矿层的分解,使得基于ZnO电子传输层的钙钛矿太阳能电池的稳定性非常差。

       该项研究通过在ZnO表面配位化学修饰一薄层MgO桥连的质子化乙醇铵,实现了高效、无迟滞以及稳定钙钛矿电池的加工。系统的研究工作发现,相关界面配位化学调控取到如下重要作用:1) 在ZnO表面上修饰薄层MgO,使乙醇胺的配位方式由非解离中性配位向解离单齿配位转变,质子化的乙醇铵促进光生电子从钙钛矿层向ZnO层的有效提取和传输,提高了该太阳能电池的短路电流,并完全消除了其迟滞现象; 2) 质子化的乙醇铵使钙钛矿中的质子化甲基铵阳离子不容易迁移到ZnO电子传输层的表面,起到了表面钝化作用,提高了钙钛矿-ZnO电子传输层界面的化学稳定性,从而提升了电池的整体稳定性;3) MgO和乙醇胺的共修饰提高了能级匹配程度,有效地促进了界面电荷传输,从而提高了该太阳能电池的开路电压、填充因子和光电转换效率。基于相关发现,他们成功地实现了最高效率达21.1%且无迟滞的钙钛矿太阳能电池,并进一步利用疏水导热二维石墨烯材料对电池进行封装,相应的电池器件可以在70%的湿度下稳定工作超过300小时。

     该研究在郑南峰教授的指导下,主要由已毕业博士曹靖(现为兰州大学化学化工学院青年研究员)在博士就读期间完成。我院毛秉伟教授、微纳研究院吴炳辉副教授、我院硕士研究生陈睿豪等参与了部分工作。该研究得到了科技部和国家自然科学基金委的资助。

     论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201705596/full