通过共沉积p-型半导体和光活性材料简化钙钛矿太阳能电池结构

吴凯

(北京大学化学与分子工程学院，北京分子科学国家实验室，北京100871)

通过共沉积p-型半导体和光活性材料简化钙钛矿太阳能电池结构

吴凯

(北京大学化学与分子工程学院，北京分子科学国家实验室，北京100871)

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池由于具有材料成本低廉、能量转换效率高和易加工制备等优点，成为近年来光伏领域的研究热点。经过短短几年时间的发展，钙钛矿太阳能电池的能量转换效率已经高达22.1%1，几乎可以和晶体硅太阳能电池的效率相媲美，表现出巨大的实际应用潜力。

在光伏产业的市场竞争中，降低电池成本是提高竞争力最直接有效的措施。因此，研究如何降低钙钛矿太阳能电池的成本对促进其大规模生产应用具有非常重要的意义。钙钛矿太阳能电池的成本主要包括材料成本和制备成本。目前，在降低材料成本方面的研究已经取得了不菲的进展2。在降低制备成本方面，简化电池结构是最直接有效的途径。许多研究工作围绕着无空穴传输层的电池开展。然而，省去空穴传输层固然可以简化电池的结构，但同时也会增加载流子(电子和空穴)的复合几率，从而制约电池的效率3。为此，简化电池结构的同时获得高的效率似乎非常困难。

最近，北京大学化学与分子工程学院黄春辉教授课题组首次在钙钛矿电池中，通过共沉积p-型半导体和钙钛矿材料简化电池的结构。他们选择廉价的无机p-型半导体CuSCN作为钙钛矿前驱液的添加剂，并利用一步旋涂的方法实现了CuSCN和钙钛矿的共沉积制备。经过X射线粉末衍射(XRD)、电感耦合等离子体原子发射光谱(ICPAES)和能量色散X射线谱(EDX)的表征证明了CuSCN不仅在整个钙钛矿层内呈体相分布，在钙钛矿层与氧化铟锡(ITO)透明电极之间的界面处也有分布。经过优化，当前驱液中CuSCN与钙钛矿的摩尔比为0.08左右时，相关器件(ITO/ CH3NH3PbI3－xClx(CuSCN)/C60/BCP/Ag)可以获得高达18.1%的效率，且几乎没有传统结构钙钛矿太阳能电池所存在的迟滞问题。

为了了解这类新结构电池的工作机理，该课题组对钙钛矿/CuSCN混合薄膜的载流子传输性质进行了表征分析。他们发现，在钙钛矿薄膜中混杂一定量的CuSCN可以大大增加薄膜的空穴迁移率，而对电子迁移率几乎没有太大的影响。进一步的瞬态荧光光谱表征也表明：混杂在钙钛矿薄膜中的CuSCN可以非常有效地促进空穴从钙钛矿层向ITO透明电极的传输，从而达到空穴和电子传输的平衡。其作用机理可能是：CuSCN是p-型半导体，且其价带能级(－5.3 eV)和钙钛矿的价带能级(－5.4 eV)非常接近，因此，附着在钙钛矿晶粒表面的CuSCN具有类似“桥梁”的作用，可以辅助空穴跨越钙钛矿晶粒表面的深能级缺陷态，达到钝化缺陷的目的，促进空穴的有效传输，进而提高电池的性能。

最后应该指出的是，该工作中所使用的p-型半导体CuSCN并不是这类新结构电池的唯一或最佳的选择，其他的p-型半导体的添加有可能取得更高的效率，并进一步提高电池稳定性。因此，优化选择p-型半导体的工作还有待深入。

该研究成果已在最近的Advanced Materials杂志上发表4。

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

(2) You,J.;Meng,L.;Song,T.B.;Guo,T.F.;Yang,Y.M.;Chang, W.H.;Hong,Z.;Chen,H.;Zhou,H.;Chen,Q.;Liu,Y.;Marco, N.D.;Yang,Y.Nat.Nanotechnol.2016,11,75.doi:10.1038/ nnano.2015.230

(3) Yan,W.;Ye,S.;Li,Y.;Sun,W.;Rao,H.;Liu,Z.;Bian,Z.; Huang,C.Adv.Energy Mater.2016,doi:10.1002/ aenm.201600474

(4) Ye,S.;Rao,H.;Yan,W.;Li,Y.;Sun,W.;Peng,H.;Liu,Z.;Bian, Z.;Li,Y.;Huang,C.Adv.Mater.2016,doi:10.1002/ adma.201603850

10.3866/PKU.WHXB201610141