柔性钙钛矿太阳能电池中电极材料和电荷传输材料的研究进展
发布时间：2021-08-17 05:08
近年来,钙钛矿材料因具有良好的光电性能和电荷传输特性,被认为是太阳能电池的后起之秀。可通过低成本印刷制备的柔性钙钛矿太阳能电池（F-PSCs）具有轻便、可弯曲的优点,在便携式可穿戴电子和光伏建筑等领域应用前景广阔。通过对钙钛矿光吸收层、电荷传输层、基底和电极材料的优化,F-PSCs的效率已经超过20%。制备工艺的快速发展为F-PSCs的应用打下了坚实的基础。本文着重介绍F-PSCs中的透明导电底电极材料、电子传输材料、空穴传输材料和对电极材料的最新研究进展及其对F-PSCs光电性能和稳定性的影响,并对超薄钙钛矿光吸收层的优化进行了综述和总结。最后,对F-PSCs的大规模生产和封装技术进行了介绍。
【文章来源】：发光学报. 2020,41(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：20 页
【部分图文】：
基于不同Ag-NWs浓度的钙钛矿薄膜的稳态PL光谱(a)和TRPL光谱(b);(c)通过APTES夹层的PET基底材料和石墨烯之间的化学相互作用示意图[23];(d)F-PSCs的弯曲稳定性[22];(e)多壁CNT、双壁CNT和单壁CNT示意图[25]。
ZnO具有可低温制备和大面积成膜的优点,可广泛用于F-PSCs的电子传输层。但是,研究发现ZnO和钙钛矿界面化学稳定性差[47],如何实现高效稳定的ZnO基F-PSCs仍是现阶段面临的重要挑战之一。2018年,Chu等利用离子液体(IL-BF4)改性ZnO并将其作为F-PSCs的电子传输层。如图9(a)、(b)所示,与原始基底上的钙钛矿薄膜相比,改性后ZnO电子传输层上的钙钛矿薄膜具有更大的晶粒和更好的结晶性。其主要原因是高亲水性的IL-BF4可以改善ZnO层与PbI2之间的润湿性,有助于PbI2溶液的完全铺展,从而有利于高质量钙钛矿膜的形成[48]。2019年,Lim等报道使用有机材料(PEIE)作为ZnO电子传输层的中间层。如图9(c)、(d)所示,ZnO/PEIE基F-PSCs的钙钛矿薄膜致密性更高,均匀性更好。基于ZnO/PEIE基F-PSCs的效率达到了11.9%[11]。目前,ZnO作为电子传输层在F-PSCs中的应用依然存在界面化学稳定性差的问题,未来的研究还需要集中于界面修饰、改进工艺来优化ZnO/钙钛矿之间的界面,进而实现高效、低成本、柔性的ZnO基F-PSCs[11]。3.1.3 SnO2
在F-PSCs中,研究人员还探索了一些新型柔性底电极。例如,将高导电性、高透光率、高覆盖率的PEDOT∶PSS作为F-PSCs底电极材料。Ou等在F-PSCs中引入了形状记忆型诺兰德光学胶63(NOA63),这种形状可恢复的聚合物作为电极可以有效地防止钙钛矿层降解和提高器件的弯曲稳定性[8]。Tavakoli等利用高透光率、高耐水性以及超薄(50 μm)的柳木玻璃和ITO为基底制备超薄透明的F-PSCs,获得了12.06%的效率。对该F-PSCs进行90°的弯曲、200次循环后,仍能保持初始效率的96%以上[35]。2019年,Zhu等以竹子为原料,制造出一种绿色且具有生物相容性的柔性透明导电电极(图7(c))。该生物电极(b-CNF)获得了生物质电极基F-PSCs的最高PCE记录,并保持了绿色和生物相容性[36]。2019年,Sun等报道了一种基于Ag周期网格的独特电极结构,该电极具有六角密排纳米孔,在整个可见光区域具有约19.0 Ω·□-1的方形电阻和66.0%的光学透过率,可大幅提高通过电极的光电流。在弯曲半径为3.0 mm的情况下,经过1 500次弯曲循环,F-PSCs仍保持其初始效率的90%,基于该周期电极的F-PSCs能够表现出极佳的弯曲稳定性[37]。表1总结了透明导电底电极材料在不同结构F-PSCs中的关键调控技术以及光电性能等指标。表1 典型透明导电底电极材料在F-PSCs中的应用Tab.1 Application of typical transparent conductive bottom electrode materials in F-PSCs 器件 结构 关键调控技术 Voc/V Jsc/(mA·cm-2) FF/% PCE/% 参考文献 NOA63/PEDOT∶PSS/MAPbI3/PCBM/EGaln NOA63电极 0.941 16.61 70.1 10.9 [8] Au/PTAA/MAPbI3/PCBM∶GQDs/GR/APTES/Substrate APRES-GR电极 1.06 19.66 72.11 15.03 [23]
【参考文献】：
期刊论文
[1]应用于钙钛矿太阳能电池中金属氧化物电子传输材料的研究进展[J]. 朱立华,商雪妮,雷凯翔,郑士建,戴其林,陈聪,宋宏伟. 发光学报. 2020(05)
[2]高效率钙钛矿太阳电池发展中的关键问题[J]. 杨旭东,陈汉,毕恩兵,韩礼元. 物理学报. 2015(03)
本文编号：3347122
【文章来源】：发光学报. 2020,41(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：20 页
【部分图文】：
基于不同Ag-NWs浓度的钙钛矿薄膜的稳态PL光谱(a)和TRPL光谱(b);(c)通过APTES夹层的PET基底材料和石墨烯之间的化学相互作用示意图[23];(d)F-PSCs的弯曲稳定性[22];(e)多壁CNT、双壁CNT和单壁CNT示意图[25]。
ZnO具有可低温制备和大面积成膜的优点,可广泛用于F-PSCs的电子传输层。但是,研究发现ZnO和钙钛矿界面化学稳定性差[47],如何实现高效稳定的ZnO基F-PSCs仍是现阶段面临的重要挑战之一。2018年,Chu等利用离子液体(IL-BF4)改性ZnO并将其作为F-PSCs的电子传输层。如图9(a)、(b)所示,与原始基底上的钙钛矿薄膜相比,改性后ZnO电子传输层上的钙钛矿薄膜具有更大的晶粒和更好的结晶性。其主要原因是高亲水性的IL-BF4可以改善ZnO层与PbI2之间的润湿性,有助于PbI2溶液的完全铺展,从而有利于高质量钙钛矿膜的形成[48]。2019年,Lim等报道使用有机材料(PEIE)作为ZnO电子传输层的中间层。如图9(c)、(d)所示,ZnO/PEIE基F-PSCs的钙钛矿薄膜致密性更高,均匀性更好。基于ZnO/PEIE基F-PSCs的效率达到了11.9%[11]。目前,ZnO作为电子传输层在F-PSCs中的应用依然存在界面化学稳定性差的问题,未来的研究还需要集中于界面修饰、改进工艺来优化ZnO/钙钛矿之间的界面,进而实现高效、低成本、柔性的ZnO基F-PSCs[11]。3.1.3 SnO2
在F-PSCs中,研究人员还探索了一些新型柔性底电极。例如,将高导电性、高透光率、高覆盖率的PEDOT∶PSS作为F-PSCs底电极材料。Ou等在F-PSCs中引入了形状记忆型诺兰德光学胶63(NOA63),这种形状可恢复的聚合物作为电极可以有效地防止钙钛矿层降解和提高器件的弯曲稳定性[8]。Tavakoli等利用高透光率、高耐水性以及超薄(50 μm)的柳木玻璃和ITO为基底制备超薄透明的F-PSCs,获得了12.06%的效率。对该F-PSCs进行90°的弯曲、200次循环后,仍能保持初始效率的96%以上[35]。2019年,Zhu等以竹子为原料,制造出一种绿色且具有生物相容性的柔性透明导电电极(图7(c))。该生物电极(b-CNF)获得了生物质电极基F-PSCs的最高PCE记录,并保持了绿色和生物相容性[36]。2019年,Sun等报道了一种基于Ag周期网格的独特电极结构,该电极具有六角密排纳米孔,在整个可见光区域具有约19.0 Ω·□-1的方形电阻和66.0%的光学透过率,可大幅提高通过电极的光电流。在弯曲半径为3.0 mm的情况下,经过1 500次弯曲循环,F-PSCs仍保持其初始效率的90%,基于该周期电极的F-PSCs能够表现出极佳的弯曲稳定性[37]。表1总结了透明导电底电极材料在不同结构F-PSCs中的关键调控技术以及光电性能等指标。表1 典型透明导电底电极材料在F-PSCs中的应用Tab.1 Application of typical transparent conductive bottom electrode materials in F-PSCs 器件 结构 关键调控技术 Voc/V Jsc/(mA·cm-2) FF/% PCE/% 参考文献 NOA63/PEDOT∶PSS/MAPbI3/PCBM/EGaln NOA63电极 0.941 16.61 70.1 10.9 [8] Au/PTAA/MAPbI3/PCBM∶GQDs/GR/APTES/Substrate APRES-GR电极 1.06 19.66 72.11 15.03 [23]
【参考文献】：
期刊论文
[1]应用于钙钛矿太阳能电池中金属氧化物电子传输材料的研究进展[J]. 朱立华,商雪妮,雷凯翔,郑士建,戴其林,陈聪,宋宏伟. 发光学报. 2020(05)
[2]高效率钙钛矿太阳电池发展中的关键问题[J]. 杨旭东,陈汉,毕恩兵,韩礼元. 物理学报. 2015(03)
本文编号：3347122
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