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方国家教授课题组在钙钛矿电池稳定性方面取得系列重要进展

来源:武汉大学物理科学与技术学院 发布时间:2017-06-25 23:35:21 点击次数:

      近年来,有机无机杂化MAPbX3 (X=Cl, Br和I)钙钛矿材料由于其卓越的光电性能而受到广泛关注。钙钛矿太阳能电池因其效率高、成本低而受到广泛专注。短短数年之间,光电转换效率已经从2009年报道的3.8%迅速提高到了22.1%。

虽然钙钛矿电池取得了优异性能,但是长期以来制约其商业化的一个难题是其稳定性问题。一方面钙钛矿材料本身不稳定,对湿度非常敏感,易分解引起性能衰减,另一方面钙钛矿电池中常用的spiro空穴传输材料会加速器件的降解。Spiro本身空穴迁移率很低,为了增加其迁移率通常需要使用添加剂,而添加剂非常亲水,又容易在spiro薄膜中发生迁移形成大量孔洞,导致空气中水分的渗入或者Au电极与钙钛矿的直接接触,引起器件性能的快速衰减。
方国家教授课题组的研究人员针对这些问题在前期研究了采用SnO2纳米片隔绝水汽,阻止钙钛矿的相分离,从而提高电池稳定性的方法(Advanced Functional Materials, 2016, 26(33): 6069-6075.);研究了通过采用自组装的SAM层修饰电子传输层表面,减缓钙钛矿材料的分解,提高电池的效率和稳定性( Journal of Materials Chemistry A2017, 5, 1658-1666);研究了通过采用稳定性更好的八甲基取代的酞氰铜CuMe2Pc来取代spiro,进一步提高了电池的稳定性(Nano Energy, 2017, 31: 322-330.)
最近,方国家教授课题组在采用金属硫化物材料提高钙钛矿电池稳定性方面取得了重要系列进展。与中科院化学所李永舫院士、张志国教授课题组合作,研究人员通过真空热蒸发法技术在spiro薄膜表面引入一层无机p型空穴传输材料硫化铜(CuxS),制备出了高品质的空穴传输薄膜和器件。 CuxS薄膜常温沉积,无需后退火,具有很高的空穴迁移率(4.47 cm2 V−1 s−1),提升了器件的空穴抽取效率。更为重要的是CuxS平整致密,可以填充spiro薄膜表面因Li离子迁移引起的孔洞,而且其具有优异的疏水性(水接触角91.64°),可以抵抗空气中的水分侵蚀,大大提高了器件在潮湿空气中的稳定性。基于CuxS的钙钛矿电池光电效率达到了18.58%,在湿度40%的空气中保存1000小时可保持90%以上的初始效率。该成果以《使用高迁移率、常温沉积的的硫化铜作为空穴传输传输层增强钙钛矿电池性能》“Incorporation of High-Mobility and Room-Temperature-Deposited CuxS as the Hole Transport Layer for Efficient and Stable Organo-Lead Halide Perovskite Solar Cells”为题发表在Wiley出版社的全新期刊Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201700038)上,并当选为该杂志20171-5月热点文章Top 1。文章署名第一单位为武汉大学物理科学与技术学院,第一作者为博士生雷红伟,博士生杨光、郑小璐为共同第一作者。
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进一步地,方国家教授课题组的研究人员在spiro上常温沉积PbS作为空穴传输层和缓冲层。常温沉积的PbS呈现(200)方向的择优取向,具有高空穴迁移率(2.04 cm2 V−1 s−1)。将其与spiro层复合,提升了器件的空穴抽取效率。而且PbS本身具有疏水性,表面平整致密,可以填充spiro薄膜表面孔洞,阻碍水分或材料中相关离子的迁移,防止金电极与钙钛矿直接接触产生的载流子复合。插入PbS 后的电池呈现优异的表面疏水特性(水接触角98.24°),在湿度40%的空气中保存1000小时以上效率无衰减。此外,该电池还表现出优异的热稳定性,在85°C环境中放置近100小时效率衰减为43.9%,相比没有插入PbS的电池(效率衰减74.6%),稳定性大大提升。通过优化钙钛矿材料的制备工艺和器件的界面,基于PbS的钙钛矿电池光电效率达到了19.58%。该成果以《使用高迁移率的p型硫化铅增强钙钛矿电池的效率和稳定性》“Enhancing efficiency and stability of perovskite solar cells via a high mobility p-type PbS buffer layer”为题发表在Nano Energy(DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.05.040)。文章署名第一单位为武汉大学物理科学与技术学院,第一作者为博士生郑小璐。

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