功能化石墨烯纳米网络植入：提升大面积钙钛矿太阳能电池性能新途径

【引言】

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池凭借优异的光电转换性能、低廉的成本等优点成为能源和材料领域前沿研究方向。在短暂的几年时间里，钙钛矿太阳能电池的认证效率已经高达22.7%。然而，由于钙钛矿薄膜多晶的自然属性，高密度的晶界导致钙钛矿薄膜中存在大量的缺陷，这些缺陷会显著地影响载流子分离与电荷传输，降低电池效率。尤其随着钙钛矿太阳能电池面积扩大，这一影响更为显著。目前大多数高效率钙钛矿电池几乎都是基于平面或准平面的电池结构。而对于此类型器件而言，载流子在钙钛矿中需要长距离扩散至电荷收集层与钙钛矿层之间的界面。在这一过程中平面钙钛矿结构中的钙钛矿晶界处存在大量的缺陷极大增加了载流子的非辐射复合，进而严重影响了器件效率的提升。

【成果简介】

受到人体结构中毛细血管结构中血液传质的启发，最近，上海交通大学的赵一新教授团队通过向平面型钙钛矿电池结构中的钙钛矿层植入功能化石墨烯的纳米网络来促进电荷的收集。导电AFM、瞬态光电流、光电压以及理论计算表明通过植入功能化石墨烯构建的纳米电荷收集网络显著提高了平面型钙钛矿太阳能电池中的电荷收集效率，减少了电荷的复合，最终实现了平面型钙钛矿太阳能电池的光电转换效率的有效提升。这种提升作用在大面钙平面型钛矿电池中更为明显。得益于上述纳米电荷收集网络的功效，，MAPbI3型平面钙钛矿电池的光电转换效率从18.5（0.1cm2）和14.4%（1cm2）提高到20.4%（0.1cm2）和18.7%（1cm2）。该成果发表在国际权威期刊Materials Horizons(IF=13) (DOI:10.1039/C8MH00511G)。论文的通讯作者为上海交通大学的赵一新教授，第一作者为该组的博士后王勇。

 【图文解析】

图1a）氨化石墨烯（G-NH2）的AFM形貌；b）G-NH2的FTIR光谱；c）MAPbI3和d）MAPbI3/G-NH2薄膜的SEM形貌对比；e）MAPbI3和MAPbI3/G-NH2的XRD图谱；f）MAPbI3和MAPbI3/G-NH2的瞬态荧光寿命对比；g）MAPbI3/G-NH2薄膜的TEM图；h）MAPbI3/G-NH2薄膜中晶界的高分辨图。

图2  a）1cm2的MAPbI3和MAPbI3/G-NH2型平面钙钛矿太阳能电池光电转换效率分布；b）1cm2的MAPbI3和MAPbI3/G-NH2型平面钙钛矿电池的J-V曲线；c）EQE图谱；d）IMPS。

图3a）MAPbI3薄膜的AFM图，b, c）偏压为1V时，MAPbI3薄膜中电流分布图；d）MAPbI3/G-NH2薄膜的AFM图，e, f）偏压为1V时，MAPbI3/G-NH2薄膜中电流分布图；

图4 a）基于MAPbI3 和MAPbI3/G-NH2型平面钙钛矿电池中电荷传输过程图示。b）通过计算得到的MAPbI3/G-NH2型平面钙钛矿电池中MAPbI3与G-NH2界面处的电荷密度，c）和d）基于MAPbI3 和MAPbI3/G-NH2型平面钙钛矿电池的瞬态光电流和瞬态光电压对比。

该研究得到了中国国家自然科学基金(Grant 21777096)、霍英东基金 (151046)的资助和支持.

YongWang, Yuanyuan Zhou, Taiyang Zhang, Minggang Ju, Lin Zhang, Miao Kan, Yihui Li,Xiao Cheng Zeng, Nitin P Padture, Yixin Zhao, Integration of Functionalized Graphene Nano-Network into Planar Perovskite Absorber for High Efficiency Large Area Solar Cells, Mater. Horiz., 2018, DOI:10.1039/C8MH00511G