Adv. Energy. Mater. :穩(wěn)定高效的聚合物摻雜鈣鈦礦電池

【引言】

如今鈣鈦礦電池效率已經(jīng)達(dá)到21.1%，已經(jīng)超過(guò)了商業(yè)化的晶硅太陽(yáng)能電池，但是由于器件存在穩(wěn)定性差等問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了其商業(yè)化的進(jìn)程。鈣鈦礦電池中的每一層結(jié)構(gòu)對(duì)器件性能的影響都非常大。在鈣鈦礦層中，鈣鈦礦晶粒內(nèi)部的缺陷態(tài)極少，因此載流子在鈣鈦礦晶粒內(nèi)部的復(fù)合可以忽略不計(jì)。但是，載流子復(fù)合與材料降解的卻常發(fā)生在鈣鈦礦的晶界和鈣鈦礦薄膜表面上，嚴(yán)重制約了器件的穩(wěn)定性與效率。為了提高器件的效率與穩(wěn)定性，一般通過(guò)增加鈣鈦礦顆粒尺寸來(lái)減小晶界數(shù)量來(lái)提升器件的效率，同時(shí)通過(guò)表面鈍化的方式來(lái)提高器件的環(huán)境穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，在前驅(qū)體中加入高分子聚合物材料，可以獲得形態(tài)和結(jié)晶度較好的鈣鈦礦型薄膜。同時(shí)長(zhǎng)鏈的聚合物可以形成網(wǎng)狀薄膜使鈣鈦礦與水氧隔絕。然而，這里有兩個(gè)主要的問(wèn)題仍沒(méi)有被系統(tǒng)的研究過(guò)1.鈣鈦礦/聚合物表面真的存在顯著的電荷轉(zhuǎn)移嗎？2.如果有，是否真對(duì)器件性能有利？

【成果簡(jiǎn)介】

近日，陜西師范大學(xué)陜西師范大學(xué)劉忠生教授和靳志文博士（共同通訊作者）在Advanced Energy Materials 上發(fā)表了一篇名為 “Polymer Doping for High-Efficiency Perovskite Solar Cells with Improved Moisture Stability” 的文章。在這次研究中，研究者使用了多種聚合物來(lái)對(duì)鈣鈦礦進(jìn)行摻雜。研究發(fā)現(xiàn)，所有聚合物都能對(duì)鈣鈦礦進(jìn)行有效的鈍化，與聚合物的帶隙無(wú)關(guān)。使用聚合物摻雜的器件能夠提升10%的效率，從17.43%增加至19.19%，器件的穩(wěn)定性也得到提升。

【圖文簡(jiǎn)介】

圖1器件結(jié)構(gòu)圖、截面SEM和能帶圖，聚合物的分子式與能帶圖

（a）。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)圖；

（b）。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池截面SEM圖；

（c）。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池能帶圖；

（d）。所使用到的聚合物的分子式；

（e）。聚合物的能帶圖。

圖2摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的結(jié)構(gòu)表征圖

（a-e）。摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的AFM圖；

（f- j）。摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的SEM俯視圖；

（k- o）。 摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的SEM側(cè)視圖。

圖3摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的性能表征圖

（a）。摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的XPS譜；

（b）。摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的UPS譜；

（c）。摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的XRD譜；

（d）。摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的吸收譜；

（e）。摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜的PL譜；

（f）。 摻雜不同濃度J71聚合物的鈣鈦礦薄膜電池的J-V曲線。

圖4摻雜不同聚合物的鈣鈦礦薄膜的性能表征圖

（a）。摻雜不同聚合物的鈣鈦礦薄膜的XPS譜；

（b）。摻雜不同聚合物的鈣鈦礦薄膜的UPS譜；

（c）。摻雜不同聚合物的鈣鈦礦薄膜的XRD譜；

（d）。摻雜不同聚合物的鈣鈦礦薄膜的吸收譜；

（e）。摻雜不同聚合物的鈣鈦礦薄膜的PL譜；

（f）。 摻雜不同聚合物的鈣鈦礦薄膜電池的J-V曲線。

圖5未摻雜器件與J71摻雜優(yōu)化后的器件性能對(duì)比

（a）。對(duì)比器件的正反掃J-V曲線；

（b）。對(duì)比器件的EQE曲線；

（c-f）。對(duì)比器件各取25個(gè)器件的Jsc（c）、Voc（d）、FF（e）和PCE（f）的統(tǒng)計(jì)分布。

圖6未摻聚合物與摻J71聚合物器件對(duì)比穩(wěn)定性測(cè)試與其他性能測(cè)試

（a）。0.9V偏壓下，對(duì)比器件的效率與時(shí)間的關(guān)系曲線；

（b）。未封裝對(duì)比器件的空氣老化時(shí)間；

（c）。摻J71與未摻雜的鈣鈦礦薄膜的核磁共振譜；

（d）。暗電流拐點(diǎn)測(cè)試，插圖為器件結(jié)構(gòu)；

（e）。兩種薄膜沉積在TiO2/FTO上的時(shí)間分辨熒光光譜；

（f）。交流阻抗曲線。

【小結(jié)】

研究表明，對(duì)鈣鈦礦薄膜進(jìn)行聚合物摻雜可以有效提高器件的性能。聚合物摻雜使得鈣鈦礦薄膜的陷阱態(tài)密度大大降低，鈍化效果得到提升，使太陽(yáng)能電池效率提高到19.19%，消除了J –V的遲滯現(xiàn)象，并且表現(xiàn)出更加優(yōu)異的穩(wěn)定性。