紫外光下高度穩定的無機鈣鈦礦/有機疊層太陽電池

劉忠范

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

(a) CsPbBr3無機鈣鈦礦和以PBDB-T:ITIC，PBDB-T-SF:IT-4F或者PTB7-Th:PC71BM為活性層的有機太陽電池的外量子效率圖；(b) CsPbBr3/PBDB-T-SF:IT-4F四電極疊層太陽電池J–V曲線圖，插圖為半透明CsPbBr3鈣鈦礦太陽電池透視圖；(c)無機鈣鈦礦/有機四電極疊層太陽電池示意圖；(d)無機鈣鈦礦/有機四電極疊層太陽電池在紫外光照射下的電池效率隨時間的變化圖

近些年，有機太陽電池得到快速發展，但是在商業化進程中仍然面臨巨大挑戰。其中，電池穩定性問題(包括紫外光、水分、氧氣等外界因素的影響)一直是人們關注的焦點。雖然良好的電池封裝技術可以有效阻止水和氧氣對有機太陽電池穩定性的影響，然而，如何防止紫外光對有機共軛分子結構和光伏器件穩定性的影響仍是一大難題。盡管紫外光過濾薄膜可以有效過濾紫外光，但同時也會過濾部分可見光，造成太陽電池性能的下降。

最近蘇州大學李永舫研究團隊的李耀文副教授等人采用無機鈣鈦礦/有機疊層太陽電池的策略，為提高電池的紫外光穩定性和電池效率提供了一種新思路，相關研究成果發表在近期的Advanced Materials上1。他們通過真空蒸鍍的方法獲得了寬帶隙、低缺陷態的 CsPbBr3無機鈣鈦礦薄膜，基于此薄膜制備的平面型鈣鈦礦太陽電池可以充分利用紫外光(圖a)，獲得了1.44 V的超高開路電壓以及7.78%的光電轉換效率，并表現出了優異的紫外光穩定性(紫外光照射120 h后性能無衰減)。以CsPbBr3薄膜為活性層制備的半透明鈣鈦礦太陽電池(圖b)幾乎可以完全過濾太陽光中的紫外光，并且在可見光區域(長于 530 nm)的平均透過率高達 60%。他們以該半透明鈣鈦礦太陽電池為頂電池、以有機太陽電池為底電池制備了四電極疊層太陽電池(圖c)，這種器件不僅可以有效吸收和利用紫外光進行光電轉換，而且還避免了紫外光對底部有機太陽電池的輻射，獲得了符合工業應用標準的高紫外光穩定的疊層太陽電池(圖d)。同時這種疊層太陽電池的最高光電轉換效率達到了14.03% (圖b)，是無機鈣鈦礦/有機疊層太陽電池的最高效率。

該研究成果不僅解決了有機太陽電池所面臨的紫外光不穩定的瓶頸性問題，同時也實現了光電轉換效率的提升，對于有機太陽電池的實際應用具有重要意義。