NML研究论文 | 基于CsPbBr3/C的高效全无机钙钛矿太阳能电池

纳微快报Nano-Micro Letters

Efficient Carbon-Based CsPbBr₃ Inorganic Perovskite Solar Cells by Using Cu-Phthalocyanine as Hole Transport Material

Zhiyong Liu¹, Bo Sun¹, Xingyue Liu¹, Jinghui Han¹, Haibo Ye¹, Tielin Shi¹, Zirong Tang¹, Guanglan Liao^{1, 2, *}

Nano-Micro Lett. (2018) 10: 34

DOI: 10.1007/s40820-018-0187-3

本文亮点

1   酞菁铜作为CsPbBr₃无机钙钛矿太阳能电池的空穴传输材料（HTM）；

2    最高能量转换效率达6.21%，比同条件下不含空穴传输材料的器件效率高60%；

3    该钙钛矿太阳能电池的耐用性和热稳定性良好。

内容简介

有机-无机杂化钙钛矿ABX₃自2009年首次被用于光伏器件领域以来，已在太阳能电池领域得到了广泛的研究和关注，并实现了22%的能量转换效率，可媲美现今最好的薄膜硫族化物和硅光伏器件。

然而有机-无机杂化钙钛矿存在一个致命的弱点：不稳定！全无机铅卤化物钙钛矿CsPbBr₃由于不含挥发性有机组分，其立方相具有最合适的带隙（Eg=1.73 V），是理想的替代品，然而却在320℃下易转变为正交晶系。为了解决这一问题，已有研究报道采用Br^-取代I^-，将相变温度降低至100℃，但是却导致带隙变宽，不利于能量转化。

华中科技大学廖广兰教授课题组设计了一种以CsPbBr₃为光吸收剂、酞菁铜（CuPc）作为空穴传输材料（HTM）、薄膜碳对电极的全无机钙钛矿太阳能电池，能量转换效率达到6.21%，比同条件下不含HTM的器件效率高60%。

分析表明CuPc作为空穴传输层能有效促进电荷转移过程，可抑制电荷复合。而且，这种钙钛矿太阳能电池还兼顾良好的可重复性和热稳定性，对未来实际制备与应用具有重要价值。

图文导读

1  基于CuPc的CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池的横截面/能级排列/接触面能带弯曲示意图

CuPc是一种典型的有机小分子光电半导体材料。基于CuPc的CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池的功能层包括FTO/致密TiO₂/介孔TiO₂/无机钙钛矿CsPbBr₃/CuPc/碳。

TiO₂致密层（空穴阻挡层）用作电子收集层，介孔TiO₂层（电子传输层）作为光敏吸收材料的支架。

2  CsPbBr₃的膜质量/顶部覆有CuPc的CsPbBr₃膜的表面形态/器件的横截面图

饰有CuPc薄膜的钙钛矿颗粒变成海参状。由于层状CuPc分子之间的强π-π键堆积，CuPc纳米棒中的分子间相互作用增强，在一定程度上这有利于形成高载流子迁移率。

此外，沉积薄的CuPc还可以补偿CsPbBr₃表面上的一些缺陷并形成大的CuPc界面面积，使其与对电极的接触良好，从而有利于从 CuPc转化为碳。

3   无空穴传输材料和具有CuPc空穴传输层的CsPbBr₃界面电荷行为追踪

具有较少陷阱态的大钙钛矿晶粒表现出双分子复合和高器件效率，而具有陷阱态的钙钛矿薄膜呈现单分子复合和低器件效率。被陷阱状态捕获的载流子将通过捕获和释放过程抑制电荷传输而导致光电流响应缓慢，使得载流子收集损失，这将导致能量密度降低。

因此，基于CuPc的钙钛矿太阳能电池的光伏性能增强主要有两个原因。第一，引入CuPc空穴传输层可以在钙钛矿/碳界面形成肖特基势垒并抑制载流子复合。第二，CuPc 空穴传输层可以提供更平滑的能级跃迁，减少陷阱态和单分子复合，这将有利于提高太阳能电池效率。

作者简介

主要研究方向：

微纳制造与测试；微电子封装；故障诊断。

主页链接：

http://mse.hust.edu.cn/info/1010/1028.htm

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