通過氯化銨與水分協(xié)同輔助鈣鈦礦結(jié)晶制備高效可印刷介觀太陽能電池

莊 林

通過氯化銨與水分協(xié)同輔助鈣鈦礦結(jié)晶制備高效可印刷介觀太陽能電池

莊 林

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，武漢430072)

鈣鈦礦半導(dǎo)體材料CH3NH3PbX3(X=Cl,Br,I)具有光吸收強(qiáng)、載流子遷移率高、帶隙可調(diào)、可溶液加工等特點，是制備太陽能電池的理想材料。在過去幾年中鈣鈦礦太陽能電池獲得了飛速發(fā)展，其公證光電轉(zhuǎn)換效率已高達(dá)22.1%，超過了光伏市場上占主導(dǎo)地位的多晶硅太陽能電池最高公證效率1，顯示出良好的發(fā)展?jié)摿皯?yīng)用前景，受到各國學(xué)術(shù)界及企業(yè)界人士的廣泛關(guān)注。然而，目前獲得高光電轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦太陽能電池通常需要使用價格昂貴的空穴傳輸材料和貴重金屬對電極材料，且需要在惰性氣體保護(hù)下制備，阻礙了其大規(guī)模制備與商業(yè)化發(fā)展2。開發(fā)基于更廉價原材料及簡單工藝的鈣鈦礦太陽能電池成為該類器件獲得大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。與此同時，有關(guān)鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性問題也需要更加深入全面的研究3。

最近華中科技大學(xué)韓宏偉教授課題組榮耀光、侯曉萌等在鈣鈦礦前驅(qū)液中引入氯化銨(NH4Cl)作為添加劑，并通過控制空氣氛圍中的水分含量來調(diào)控鈣鈦礦材料在介孔膜中的結(jié)晶動力學(xué)過程，制備出光電轉(zhuǎn)換效率超過15%的無空穴傳輸材料可印刷鈣鈦礦太陽能電池，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Nature Communications雜志上4。無空穴傳輸材料可印刷鈣鈦礦太陽能電池基于全印刷技術(shù)制備及三層介孔膜結(jié)構(gòu)，其特點是在單一導(dǎo)電襯底上通過逐層印刷方式沉積TiO2納米晶層、ZrO2間隔層及碳對電極層，之后填充鈣鈦礦材料。該類器件原材料成本低廉、制備工藝簡單5。然而，如何在三層介孔膜中充分填充鈣鈦礦材料并獲得較高結(jié)晶質(zhì)量是獲得高效器件的關(guān)鍵。為此，該課題組提出一種在空氣氛圍中分步退火緩慢結(jié)晶的方法：首先引入NH4Cl作為鈣鈦礦結(jié)晶抑制劑形成中間相，然后利用空氣中的H2O誘導(dǎo)中間相向鈣鈦礦相CH3NH3PbX3轉(zhuǎn)變，并在介孔膜中有序生長從而形成高質(zhì)量的鈣鈦礦CH3NH3PbX3。研究表明環(huán)境相對濕度35%-45%下課獲得高質(zhì)量的鈣鈦礦CH3NH3PbX3填充，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到15.6%。同時在未封裝的條件下顯示出良好的穩(wěn)定性，器件在相對濕度35%的環(huán)境中保存超過130天其光電轉(zhuǎn)換效率仍能保持初始值的96.7%。這一研究成果揭示了空氣中水分對鈣鈦礦材料結(jié)晶動力學(xué)過程及穩(wěn)定性的影響，使得在大氣氛圍下大規(guī)模制備鈣鈦礦太陽能電池成為可能，為鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化發(fā)展及應(yīng)用提供了新的途徑。

(1) NREL:http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg.

(2) Rong,Y.;Mei,A.;Liu,L.;Li,X.;Han,H.Acta Chim.Sin.2015, 73(3),237.doi:10.6023/a14100702

(3) Rong,Y.;Liu,L.;Mei,A.;Li,X.;Han,H.Adv.Energy Mater. 2015,5(20),1501066.doi:10.1002/aenm.201501066

(4)Rong,Y.;Hou,X.;Hu,Y.;Mei,A.;Liu,L.;Wang,P.;Han,H. Nat.Commun.2017,8,14555.doi:10.1038/ncomms14555

(5) Mei,A.;Li,X.;Liu,L.;Ku,Z.;Liu,T.;Rong,Y.;Xu,M.;Hu, M.;Chen,J.;Yang,Y.;Gr?tzel,M.;Han,H.Science 2014,345 (6194),295.doi:10.1126/science.1254763

Synergy of Ammonium Chloride and Moisture on Perovskite Crystallization for Efficient Printable Mesoscopic Solar Cells

ZHUANG Lin
(College of Chemistry and Molecular Sciences,Wuhan University,Wuhan 430072,P.R.China)

10.3866/PKU.WHXB201703071