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Nature Materials|世界上首次成功构建渐变带隙结构钙钛矿太阳能电池

有机/无机卤化物钙钛矿材料已经逐渐兴起,作为传统太阳能电池的替代品时极具吸引力。高吸光系数和长扩散距离表明卤化物钙钛矿拥有高功率转换效率。钙钛矿基单一带隙、串联形式的太阳能电池设计所产生的性能已经给人们留下了深刻的印象,但提高太阳光谱利用的途径之一是要利用渐变带隙,可惜的是,在此之前这并没有在钙钛矿材料领域成功应用。

近日,美国加州大学伯克利分校Onur Ergen和Alex Zettl等人制备了一种基于双钙钛矿层结构的新型太阳能电池(1层:CH3NH3SnI3;2层:CH3NH3PbI3-xBrx),其组成包括氮化镓(GaN)、单层六角氮化硼(h-BN)和石墨烯气凝胶(graphene aerogel;GA)等(详细结构见图1)。研究结果表明:在没有反射涂层的条件下,渐变带隙结构钙钛矿太阳能电池的稳定态平均转换效率为18.4%,最高可达21.7%。另外,填充因子和短路电流也分别高达~75%和42.1mA/cm2。

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图1.渐变带隙双钙钛矿层结构太阳能电池的结构示意图和断面SEM图

 

该太阳能电池结构及性能特点在于

  • 输出电流非常大。

  • 双钙钛矿层结构的设计是为了产生渐变带隙。钙钛矿层沉积在重掺杂的的氮化镓基体上,反过来可作为电子注入层(electron injection layer;ETL)。

  • GaN代替了典型的TiO2 ETL,可提供更佳的表面形貌和增强的电子注入能力。

  • h-BN本身除了具有极好的电子隧道穿越特性外,还可作为两钙钛矿层间的阳离子扩散屏障和助粘剂。

  • 石墨烯气凝胶可作为极好的屏障防止水分侵入,并提高HTL(hole transport layer)中孔的采集效率。另外,气凝胶的使用还可提高钙钛矿层的透光率。

选择正确的金属阳离子和不同的卤化物阴离子浓度是成功构建钙钛矿吸收层渐变带隙调谐的关键。GA和h-BN的结合使渐变带隙的形成成为可能,采用这种配置所构建的太阳能电池是可重复的而且是非常稳定的。

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图2.使用以及不使用单分子层h-BN或GA的钙钛矿太阳能电池的光致发光图谱

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图3.使用以及不使用单分子层h-BN或GA的钙钛矿太阳能电池的响应特性

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图4.钙钛矿太阳能电池性能随时间变化情况、稳定态直方图以及最好电池的电流-电压响应曲线。

 

Onur Ergen, S. Matt Gilbert, Thang Pham, Sally J.Turner, Mark Tian Zhi Tan, Marcus A. Worsley, Alex Zettl, Graded bandgap perovskite solar cells, Nature Materials,  2016, doi:10.1038/nmat4795

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