宁波材料所在低成本钙钛矿太阳能电池空穴传输材料方面取得研究进展

日期:2022-07-22 阅读:539
核心提示:利用太阳能资源对于缓解人类的能源需求和实现人类社会的可持续发展具有重要意义,亦是实现国家碳达峰和碳中和目标的重要措施之一
利用太阳能资源对于缓解人类的能源需求和实现人类社会的可持续发展具有重要意义,亦是实现国家碳达峰和碳中和目标的重要措施之一。钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells, PSCs)作为新一代光伏技术,凭借其优异的光伏效率、简易的制备方法和低廉的生产成本受到了广泛关注,目前认证光电转换效率已达25.7%,逐渐接近晶硅太阳能电池26.7%的效率,但是在商业化的道路上依然面临着稳定性差和大面积制备效率低等问题。
 
为了促进钙钛矿太阳能电池的进一步发展,中国科学院宁波材料技术与工程研究所葛子义研究员与刘畅副研究员等人前期通过界面修饰与缺陷钝化(Adv. Mater. 2019, 31, 1903239;Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101416;Infomat 2021, 3, 1431)和新型二维钙钛矿材料设计(Nano Energy 2022, 93, 106800)等手段,大幅度提升了钙钛矿光伏器件效率和稳定性,以及在钙钛矿晶体生长和大面积制备方面发表综述(Chem. Soc. Rev. 2020, 49, 1653)。
 
近日,葛子义研究员与杨道宾副研究员等人在Energy & Environmental Science上发表了题目为“Recent advances in dopant-free organic hole-transporting materials for efficient, stable and low-cost perovskite solar cells”的综述论文,系统总结了近年来钙钛矿太阳能电池器件中非掺杂空穴传输材料的研究进展,并对如何实现高效、稳定和低成本的钙钛矿太阳能电池进行了展望,原文链接:https://doi.org/10.1039/D2EE01256A。
 
空穴传输材料对于实现高效率钙钛矿太阳能电池至关重要,目前应用最为广泛的空穴传输材料(如Spiro-OmetaD、PTAA)价格昂贵,并且往往需要添加掺杂剂,这些掺杂剂往往是亲湿性的,会吸收空气中的水分从而导致钙钛矿的潮解,严重损害器件的稳定性。通过合理的分子结构设计和优化,开发低成本非掺杂空穴传输材料是解决该问题的有效途径之一。在本综述中,按照钙钛矿活性层不同,将近两年来非掺杂空穴传输材料的研究工作分成了甲胺离子系列、混合阳离子系列和全无机系列三大部分,分别进行了详细阐述。通过对大量器件性能参数的汇总分析,揭示了材料空穴迁移率和能级与器件效率之间的关系(如图1),并提出高效非掺杂空穴传输材料的六大设计准则(如图2)。首先,要具有高的空穴迁移率和导电率,可以有效地传输空穴;第二,要具有与钙钛矿层匹配的能级,有利于激子在界面处的分离;第三,要具有钝化界面缺陷的能力,抑制界面处的非辐射复合损失;第四,要具有良好的疏水性,保护钙钛矿层免受潮气的侵蚀,提高器件的稳定性;第五,要具有较低的生产成本,便于大面积制备;第六,要具有良好的溶解性。最后,对未来的发展方向进行了展望,希望可以早日实现钙钛矿太阳能电池的商业化应用。
 
上述工作获得了国家杰出青年科学基金(21925506)、国家重点研发计划(2017YFE0106000)、国家自然科学基金联合基金重点项目(U21A20331)、国家自然科学基金(51773212、81903743、22005322)、浙江省自然科学基金(LQ22E030013)、宁波市科技创新2025重大专项(2018B10055)、中国科学院前沿科学研究重点项目(QYZDB-SSW-SYS030)等支持。
图1 非掺杂空穴传输材料与器件性能关系统计图:(a)和(b)开路电压Voc与HOMO能级;(c)和(d)空穴迁移率与效率
 
图2 理想非掺杂空穴传输材料的设计准则
 
(来源:中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
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