华中科大先进能源材料研究室丨ACS Nano: 低温溶液法制备ZnSe电子传输层用于平板钙钛矿太阳能电池

【研究背景】

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池，由于具有合适的直接禁带宽度，高的光吸收系数以及优越的载流子双极传输性能等优点，其光电转换效率由2009年的3.8%提升至目前的22.7%，足以和现在硅基的太阳能电池相媲美，但是一些突出问题也制约了钙钛矿太阳能电池的商业化进展，如电子传输层对于钙钛矿太阳能电池的光电效率和稳定性有着决定性的作用。然而，当前最常用的TiO₂电子传输层需要高达500℃左右的高温退火，常见的SnO₂虽说退火有所降低，但也得在200℃左右退火才能取得较高的效率，而且这些电子传输层材料也不能完全有效地吸收太阳光中的紫外光。据文献报道，紫外光会加剧钙钛矿的降解不利于器件的长期稳定性，因此寻找一直既具有良好的电学性能又能低温合成，同时也能作为紫外光阻挡层的电子传输层材料就具有十分重要的意义。

【成果简介】

近日，华中科技大学的杨君友教授课题组在ACS NANO上发表了题为“Low Temperature Solution-Processed ZnSe Electron Transport Layer for Efficient Planar Perovskite Solar Cells with Negligible Hysteresis and Improved Photostability”的研究成果，他们首次采用低温溶液法制备了ZnSe化合物作为钙钛矿太阳能电池的电子传输层，ZnSe的退火温度只需要80℃，具有较高的载流子迁移率和电导率，能更好地和钙钛矿能级进行匹配；由于其禁带宽度只有2.8 eV, 能够全部吸收紫外光，产生光生电子对的同时，避免了紫外光对钙钛矿薄膜的降解，提高了电池的稳定性。以ZnSe为电子传输层组装的平板钙钛矿太阳能电池取得了17.78% 的光电转换效率并且没有明显的滞后效应，此外，以ZnSe为电子传输层的器件具有更好的光稳定性，呈现出良好的应用前景。华中科技大学的博士研究生李鑫为文章的第一作者，华中科技大学的杨君友教授为文章的通讯作者。

【图文解析】

图1  (a) 水热法合成的ZnSe薄膜SEM图, (b) ZnSe纳米颗粒的TEM低倍图, (c) ZnSe纳米颗粒的TEM高倍图, (d) ZnSe的XRD图。

图2 不同水热时间的ZnSe薄膜的SEM图 (上), (a) 0.5 h, (b) 1 h, (c) 2 h, (d) 3 h; 不同水热时间的ZnSe薄膜上两步法制备的钙钛矿SEM图 (下), (a) 0.5 h, (b) 1 h, (c) 2 h, (d) 3 h。

图3 (a) 钙钛矿太阳能电池结构图, (b) 钙钛矿太阳能电池各层能带图, (c) 以不同水热时间的ZnSe为ETL的器件的J-V曲线图, (d) 以不同水热时间的ZnSe为ETL的钙钛矿的吸收图 (插图是ZnSe的吸收谱图), (e) IPCE外量子效率图, (f) 稳态PL图。

表1 不同水热法为电子传输层的钙钛矿太阳能电池平均J-V曲线各参数汇总

图4 (a) 分别以TiO₂和ZnSe为ETL的器件正扫反扫的J-V曲线图, (b) 分别以TiO₂和ZnSe为ETL的钙钛矿的吸收谱图, (c) 器件的光响应图, (d) FTO/ZnSe或TiO₂/Au的I-V曲线图, (e) 最大功率输出下的电流和PCE图, (f) 器件效率分布柱状图。

表2 以ZnSe和TiO₂为ETL的钙钛矿太阳能的J-V曲线各参数汇总

图5 (a) TiO₂和ZnSe的吸收谱图 (插图是在5 mW cm^-2的紫外光强度照射下，器件PCE随时间变化图), (b) 钙钛矿太阳能电池在100 mW cm^-2强度的太阳光照射下PCE随时间变化图, (c) 在紫外光照射前的钙钛矿的XRD图, (d) 在紫外光照射30天后钙钛矿的XRD图。

【总结】

该文首次采用低温溶液法制备出高载流子迁移率和电导率的ZnSe作为钙钛矿太阳能电池的ETL，并系统研究了不同水热时间ZnSe对器件性能的影响；同时，以ZnSe为ETL的电池器件的光稳定性以及光电转换效率都比传统的TiO₂基的钙钛矿太能电池要高。结果表明，以ZnSe为电子传输层来代替传统的TiO₂，更有利于太阳能电池器件的商业化和应用前景。

【文献信息】

Xin Li, Junyou Yang, Qinghui Jiang, et al., Low Temperature Solution-Processed ZnSe Electron Transport Layer for Efficient Planar Perovskite Solar Cells with Negligible Hysteresis and Improved Photostability, ACS NANO, 2018. (DOI: 10.1021/acsnano.8b01351)

部门 | 媒体信息中心科技情报部

撰稿 | 华中科技大学杨君友教授课题组

编辑 | 吴禹翰

主编 | 张哲旭

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