自组装层修饰溅射氧化镍对刮涂制备的宽带隙钙钛矿太阳电池性能影响研究

氧化镍作为高效钙钛矿太阳电池中常用无机空穴传输层材料,具有良好的光学透过性及化学稳定性,并且还可以通过磁控溅射等方法进行大面积制备,且成本低廉。然而相比于有机空穴传输材料,氧化镍和钙钛矿界面处的能级失配、缺陷及不良化学反应等限制了基于氧化镍空穴传输层的宽带隙钙钛矿太阳电池的性能。为解决这一问题,本文提出了采用(2-(9H-咔唑-9-基)乙基)膦酸((2-(9H-carbazol-9-yl)ethylphosphonic acid,2PACz)自组装层作为氧化镍/宽带隙钙钛矿界面修饰材料。该分子可以有效钝化氧化镍表面缺陷、调节上层钙钛矿的成膜及促进界面电荷传输,最终宽带隙钙钛矿太阳电池的光电转换效率由16.18%提升至18.42%。本工作为氧化镍空穴传输层在宽带隙钙钛矿太阳电池中的应用提供了一种可借鉴的策略。

钙钛矿/晶硅叠层太阳电池关键材料与技术研究进展

太阳电池要成为常规能源需不断提高光电转换效率、降低电池成本。叠层太阳电池采用不同禁带宽度的材料吸收太阳光,可减少高于带隙的高能量太阳光的热化损失,以及低于带隙的低能量太阳光不能被吸收的损失,提高电池光电转换效率。近几年,钙钛矿/晶硅叠层太阳电池因具有带隙匹配、光电转换效率高、工艺简单等特性,成为新兴的研究热点。经过近五年的发展,钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的光电转换效率已被快速提升至28%。要实现高效的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池,关键材料与结构的发展必不可少。钙钛矿/晶硅叠层电池主要包括四端和两端结构。其中两端叠层电池,因仅需要一个透明电极,有利于减少寄生吸收、降低成本,成为主流钙钛矿/晶硅叠层电池结构。除了结构改进外,开发高质量的关键材料对高效叠层电池也十分重要。首先,钙钛矿顶电池的金属电极需要替换成透明电极,使得透过顶电池的太阳光能被底电池吸收。目前主流的体系为透明导电氧化物。其次,钙钛矿顶电池的理想带隙为1.7~1.8 eV,因此需要开发高质量的宽带隙钙钛矿电池,以实现开路电压的增益。最后,两端叠层电池的中间界面层起复合载流子和调控光传输的双重作用,需要探寻具有优异光电特性的界面层材料。目前主流的中间界面层体系包括氧化铟锡、掺杂纳米硅以及含纳米硅的氧化硅薄膜等。虽然通过关键材料和结构的发展,叠层电池光电转换效率已经达到28%,但距43%的极限效率还有一定的差距,需进一步提高叠层电池的短路电流密度、开路电压等光伏特性参数。为提高叠层电池的短路电流密度,需降低载流子传输层、透明电极、中间界面层的寄生吸收损失,同时通过绒面结构、减反层、折射率匹配的界面层等光管理手段降低界面的反射损失。提高叠层电池开路电压的关键是提高宽带隙钙钛矿电池的开路电压。通过上述光电管理协同作用,叠层电池光电转换效率有望突破30%。本文以钙钛矿/晶硅叠层太阳电池性能发展为主线,首先简要介绍了叠层电池的结构及光电性能发展历史;然后介绍叠层电池的关键材料,重点包括透明电极、中间界面层、宽带隙钙钛矿电池;在此基础上,分析叠层电池光电转换效率制约因素及提升途径;最后对叠层电池的高效化、大面积、稳定性的未来发展进行了展望。