通過氯化銨與水分協(xié)同輔助鈣鈦礦結(jié)晶制備高效可印刷介觀太陽能電池

莊 林

通過氯化銨與水分協(xié)同輔助鈣鈦礦結(jié)晶制備高效可印刷介觀太陽能電池

莊 林

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，武漢430072)

鈣鈦礦半導(dǎo)體材料CH3NH3PbX3(X=Cl,Br,I)具有光吸收強(qiáng)、載流子遷移率高、帶隙可調(diào)、可溶液加工等特點(diǎn)，是制備太陽能電池的理想材料。在過去幾年中鈣鈦礦太陽能電池獲得了飛速發(fā)展，其公證光電轉(zhuǎn)換效率已高達(dá)22.1%，超過了光伏市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位的多晶硅太陽能電池最高公證效率1，顯示出良好的發(fā)展?jié)摿皯?yīng)用前景，受到各國(guó)學(xué)術(shù)界及企業(yè)界人士的廣泛關(guān)注。然而，目前獲得高光電轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦太陽能電池通常需要使用價(jià)格昂貴的空穴傳輸材料和貴重金屬對(duì)電極材料，且需要在惰性氣體保護(hù)下制備，阻礙了其大規(guī)模制備與商業(yè)化發(fā)展2。開發(fā)基于更廉價(jià)原材料及簡(jiǎn)單工藝的鈣鈦礦太陽能電池成為該類器件獲得大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。與此同時(shí)，有關(guān)鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性問題也需要更加深入全面的研究3。

最近華中科技大學(xué)韓宏偉教授課題組榮耀光、侯曉萌等在鈣鈦礦前驅(qū)液中引入氯化銨(NH4Cl)作為添加劑，并通過控制空氣氛圍中的水分含量來調(diào)控鈣鈦礦材料在介孔膜中的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)過程，制備出光電轉(zhuǎn)換效率超過15%的無空穴傳輸材料可印刷鈣鈦礦太陽能電池，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Nature Communications雜志上4。無空穴傳輸材料可印刷鈣鈦礦太陽能電池基于全印刷技術(shù)制備及三層介孔膜結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是在單一導(dǎo)電襯底上通過逐層印刷方式沉積TiO2納米晶層、ZrO2間隔層及碳對(duì)電極層，之后填充鈣鈦礦材料。該類器件原材料成本低廉、制備工藝簡(jiǎn)單5。然而，如何在三層介孔膜中充分填充鈣鈦礦材料并獲得較高結(jié)晶質(zhì)量是獲得高效器件的關(guān)鍵。為此，該課題組提出一種在空氣氛圍中分步退火緩慢結(jié)晶的方法：首先引入NH4Cl作為鈣鈦礦結(jié)晶抑制劑形成中間相，然后利用空氣中的H2O誘導(dǎo)中間相向鈣鈦礦相CH3NH3PbX3轉(zhuǎn)變，并在介孔膜中有序生長(zhǎng)從而形成高質(zhì)量的鈣鈦礦CH3NH3PbX3。研究表明環(huán)境相對(duì)濕度35%-45%下課獲得高質(zhì)量的鈣鈦礦CH3NH3PbX3填充，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到15.6%。同時(shí)在未封裝的條件下顯示出良好的穩(wěn)定性，器件在相對(duì)濕度35%的環(huán)境中保存超過130天其光電轉(zhuǎn)換效率仍能保持初始值的96.7%。這一研究成果揭示了空氣中水分對(duì)鈣鈦礦材料結(jié)晶動(dòng)力學(xué)過程及穩(wěn)定性的影響，使得在大氣氛圍下大規(guī)模制備鈣鈦礦太陽能電池成為可能，為鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化發(fā)展及應(yīng)用提供了新的途徑。

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

(2) Rong,Y.;Mei,A.;Liu,L.;Li,X.;Han,H.Acta Chim.Sin.2015, 73(3),237.doi:10.6023/a14100702

(3) Rong,Y.;Liu,L.;Mei,A.;Li,X.;Han,H.Adv.Energy Mater. 2015,5(20),1501066.doi:10.1002/aenm.201501066

(4)Rong,Y.;Hou,X.;Hu,Y.;Mei,A.;Liu,L.;Wang,P.;Han,H. Nat.Commun.2017,8,14555.doi:10.1038/ncomms14555

(5) Mei,A.;Li,X.;Liu,L.;Ku,Z.;Liu,T.;Rong,Y.;Xu,M.;Hu, M.;Chen,J.;Yang,Y.;Gr?tzel,M.;Han,H.Science 2014,345 (6194),295.doi:10.1126/science.1254763

Synergy of Ammonium Chloride and Moisture on Perovskite Crystallization for Efficient Printable Mesoscopic Solar Cells

ZHUANG Lin
(College of Chemistry and Molecular Sciences,Wuhan University,Wuhan 430072,P.R.China)

10.3866/PKU.WHXB201703071