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Solar RRL:钙钛矿太阳能电池界面工程的回顾总结:自组装膜的功能

日期:2020-03-05    来源:MaterialsViews

国际太阳能光伏网

2020
03/05
10:10
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关键词: 钙钛矿电池 太阳能电池 太阳能技术

因为其绝佳的光电性能,有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池成为过去几年中学术界和工业界的研究热点。其光电转换效率也一次又一次被刷新,目前已达到最高24.2%。之前钙钛矿太阳能电池的研究中,器件结构、沉积方法和成分工程等方面已获得巨大进展。近几年,器件稳定性是除光电转换效率之外又一重要的问题,采用自组装膜的改进方式能够同时实现钙钛矿太阳能电池的高效稳定。

自组装膜的有机分子是由附着在基底自发聚集的分子形成的,包括结合团和官能团。结合团主要负责将分子粘接在表面,官能团则可以改善边界的性能。近期研究的荷电分子包含具有正电荷或负电荷的原子,并能影响周围环境的电子能量状态。因此,与传统组装膜相比,材料选择需要更加谨慎。应用在钙钛矿太阳能电池的这些界面工程方法主要为满足两个目的:

一、界面工程可以帮助建立可取的能级排列以促进电荷运输,所以电荷运输过程中的能量损失将会降低,因此短路电流和填充因子会增加。另外,层间偶极子和电荷传输层之间的作用会导致功函数的变化,功函数的变化能够引起开路电压的增加或者有效注入载流子;

二、通过界面工程的修饰能够钝化金属氧化物的缺陷态,例如氧空位相关的和表面的缺陷。因为电荷传输层位于钙钛矿层的上面或下面,中间层也能钝化钙钛矿层,与离子缺位相配合。

尽管光电转换效率达到24.2%,钙钛矿太阳能电池的商业化之路依然困难重重。为实现商业化,研究者还需考虑钙钛矿太阳能电池的持续性并探求解决方法,特别是无法避免的外在因素所造成的不稳定性,例如电池工作情况下的湿度、UV 光照和热量。传统提高稳定性的方法包括发展新的钙钛矿成分或者新的电荷传输层,但同时界面工程对于进一步提高器件性能和稳定性也至关重要。

韩国浦项工科大学化学工程系Taiho Park教授课题组总结了钙钛矿太阳能电池的发展历程,详细的讨论了自组装膜在钙钛矿太阳能电池领域的应用和不同应用策略所带来的影响。未来设计和应用新型自组装膜需要考虑以下方面:

(1)自组装膜分子的偶极矩应该依据器件配置、电荷传输层类型和电极来进行控制。在制备钙钛矿太阳能电池中面临的一个严重问题是由功函数不匹配所造成的能障,尽管研究者会在合成新材料之前估算能级,但实际值和理论值会存在一定差异。因此,通过调整能障以使电荷提取最大化是必须的。自组装膜修饰能使钙钛矿太阳能电池能级有效排序,因为其表面偶极可以调节电荷传输层的功函数或电极。除了电荷提取之外,开路电压也和电荷传输层的功函数有关,所以自组装膜偶极矩的研究对于实现高效率的钙钛矿太阳能电池至关重要。不同结合团和官能团的引入可以有效的调节偶极子的强度和方向,因此关于自组装膜的结合团和官能团的基础研究需要优先开展。

(2)因为缺陷态钝化与自组装膜中的结合团和官能团紧密相关,在自组装膜设计初期就应该予以充分考虑。这篇文献中讨论了自组装膜中不同的官能团与其他层之间的反应和这些反应对器件效率和稳定性的影响,因此自组装膜和其他层之间的反应也应该做重点研究。总体来说,自组装膜修饰是能够使金属氧化物和钙钛矿层缺陷态钝化的有效方法。然而,高质量钙钛矿层的具体特征存在一定争议性,对展现出来的不同现象需要更加系统性的学习研究。

(3)根据分子设计、沉积方法和自组装膜分子利用的不同需要进一步扩展研究范围。例如,引入带电荷的官能团能够最大化形成偶极子并能够比传统方法更有效控制功函数。近期出现了用其他小分子附着在自组装膜上的不同尝试,或者同时用两层或两层以上的自组装成膜,然而,关于反应机制和性能改善尚且未有系统性的研究。目前为止,大多数研究都将自组装膜作为中间层,只有极少数研究组将其用为附加层或空穴传输层。本篇文献中的发现拓展了自组装膜的发展方向,未来在发展新自组装膜分子的研究中,可以尝试不同的运用。

采取各种界面工程技术、调节材料和界面特征可以提升钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性,因此未来的研究可以通过不同角度的策略开展。

该综述被选为封面文章发表在Solar RRL 2020年2月专刊“Perovskite Solar Cells and Optoelectronics Part 2” (DOI: 10.1002/solr.201900251)上。

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