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Solar RRL:Au@PSS四面体——提升钙钛矿太阳能电池性能的新思路

钙钛矿材料因消光系数大、带宽易调、载流子迁移率高且双极性传输等特点,近年来在太阳能电池中得到了广泛应用,短短十年间,其光电转换效率飞速提升到22%以上,被誉为“光伏领域的新希望”。

活性层的光吸收能力是影响电池光电转换效率的重要因素之一。作为最常用的钙钛矿材料,CH3NH3PbI3在近紫外至近红外波段内均具有较强的光吸收能力,然而,从其外量子效率曲线可以发现,CH3NH3PbI3在<550和>750 nm波段范围的光吸收利用率仍有待进一步提升。有趣的是,金属纳米粒子产生的强表面等离子体共振(SPR)有利于促进钙钛矿活性层的光吸收,此外,改变纳米粒子的形貌、尺寸可方便地调节SPR波长,有望有针对性地改善活性层吸收薄弱波段的光吸收和光电转化效率。

Solar RRL:Au@PSS四面体——提升钙钛矿太阳能电池性能的新思路

近期,南京邮电大学材料科学与工程学院的黄维陈淑芬课题组将PSS包裹的Au四面体引入倒置结构钙钛矿太阳能电池中,使器件的性能获得了明显地提升。他们利用时域有限差分方法对不同形貌纳米粒子的SPR局域场进行了计算,仿真结果表明,Au四面体能产生比其它形貌纳米粒子(如球状、棒状)强两个数量级的局域场。为了减少金属粒子表面对激子的复合,他们利用正负电荷互相吸引的方法,将负电性的PSS吸附到带正电的Au四面体表面,形成了仅2 nm的薄壳层。上述核壳结构的Au@PSS四面体不仅具有制备方法简单、重复性好等特点,还有利于获得极薄的壳层厚度,可充分使用Au四面体产生的强局域场,最大限度促进活性层对光的吸收。分析表明,Au@PSS核壳结构四面体的引入显著增强了活性层宽光谱波段内(400-780 nm)的光吸收。此外,电化学阻抗和稳态瞬态光致发光光谱的测试结果表明,Au@PSS四面体还显著增大了钙钛矿中的激子解离率和界面处的电荷转移效率。在上述因素的共同作用下,器件的光电转换效率提升了18.83%,该工作为未来进一步提升钙钛矿太阳能电池光电转换效率提供了新颖的思路与方法。

相关论文发表在Wiley旗下的期刊Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201800061),第一作者为南京邮电大学学生郝浩王亮

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