华侨大学吴季怀团队报道了一种通过稀土掺杂研制高性能无迟滞氧化锡基介多孔型钙钛矿太阳电池的策略

2019年11月5日，华侨大学吴季怀课题组报道了以氧化锡为介多孔支架，通过稀土掺杂研制一种高性能无迟滞的钙钛矿太阳能电池。研究结果以“High-Performance and Hysteresis-Free Perovskite Solar Cells Based on Rare-Earth-Doped SnO₂ Mesoporous Scaffold”为题发表在Research上（Research, 2019, 4049793, DOI: 10.34133/2019/4049793）。

研究背景

图1  稀土离子掺杂在钙钛矿电池中的作用

华侨大学吴季怀团队报道了一种通过稀土掺杂研制高性能无迟滞氧化锡基介多孔型钙钛矿太阳电池的策略。作为新一代太阳能电池，钙钛矿太阳能电池以其优越的性能引起学术界产业界的高度关注。其光电转换效率从2009年刚出现时的3.8%到目前的超过25%，发展速度超过任何一种太阳电池。

目前钙钛矿电池一般采用二氧化钛做电子传输材料，然而由于氧化钛的电子迁移率较低（0.1~1.0 cm² V^–1s^–1），容易产生迟滞现象；且二氧化钛在紫外光辐照下容易降解有机空穴导体，影响器件性能，因此开发新的电子传输体很有必要。氧化锡的电子迁移率较高（100~200 cm² V^–1s^–1），对紫外光不敏感，能级结构与钙钛矿材料匹配，是一种很有希望的电子传输材料。然而研究时间较短，目前使用氧化锡做电子传输材料的钙钛矿电池的光电转换效率不高，特别是对于介多孔结构的钙钛矿太阳电池，其最高效率为17%左右。

课题组在太阳电池前期研究中发现，正四价金属氧化物中掺入正三价稀土离子具有多重功效：

通过P型掺杂效应，提高氧化物的费米能级和输出电压

通过掺杂效应，提高载流子溶度，提高光电流

影响氧化物乃至沉积其上的钙钛矿的形貌，从而影响活性点和缺陷的存在

稀土离子具有上下转换发光功能，可拓展电池对太阳光的吸收

通过下转换发光，将紫外光转变为可见光，减少紫外光对有机活性材料的降解，提高器件的光学稳定性

本研究主要是通过稀土掺杂的前三个效应改善介多孔二氧化锡和钙钛矿层的性能，从而提高电池的效率和稳定性。

研究进展

课题组在300 ºC的条件下水热合成窄分布的氧化锡纳米球，通过自组装形成SnO₂介孔材料，如图2所示。透射电镜观察表明，自组装SnO₂纳米颗粒呈单分散状态，粒径分布均匀，尺寸大约为50 nm，比表面积达到120 m²·g^–1，稀土掺杂可提升至130 m²·g^–1。研究稀土掺杂量对SnO₂及钙钛矿形貌的影响表明，当稀土掺杂量为3%时，SnO₂呈现分散均匀、稀疏的表面，对应钙钛矿的光滑平整表面，晶粒尺寸变大；而当掺杂量增大到4%时，SnO₂膜结构坍塌，相应钙钛矿膜表面粗糙，这增加载流子复合的几率，从而对电池性能产生不利的影响。

m-SnO₂(3%Y)分散体系

m-SnO₂(3%Y)电子传输层

m-SnO₂(3%Y)基的钙钛矿层

m-SnO₂(3%Y)基的钙钛矿电池

图2  自组装SnO₂TEM、FE-SEM图及相应钙钛矿平面、电池整体截面FE-SEM图

通过光电测试和相关计算，获得稀土掺杂SnO₂及所有功能层的能级图。由图3可见，SnO₂及稀土离子的引入，使功能层之间的能级排列更加连续，减少载流子在层与层之间传输时的能量损失，使得光电压、光电流、填充因子都得到提升，进而提高电池效率。进一步的测试和分析证实，稀土离子对SnO₂的掺杂是P型掺杂，通过掺杂提高了载流子浓度和电导率。

图3  电池功能层能及排列图以及自组装SnO₂ETL电化学表征

比较三种稀土掺杂离子（Sc、Y、La；钪、钇、镧）和浓度条件，发现掺杂3%摩尔比的Y（钇）对提升器件效率最为明显，且迟滞效应得到了抑制。在一个太阳光辐照下，稀土掺杂的氧化锡基介多孔型钙钛矿太阳电池取得20.63%的光电转换效率，且稳定性提高，迟滞现象几乎消失；在同样条件下未掺杂器件获得19.01%的效率。

图4  电池迟滞性和稳定性分析

未来展望

和TiO2基的钙钛矿太阳电池比较，SnO₂基介多孔型的器件具有迟滞效应小、紫外光稳定性好的特点，通过适当的条件优化可以获得较高的光电转换效率，SnO₂是一种很有希望的介多孔电子传输材料。稀土掺杂可以调整电子传输体的能级水平，提高载流子浓度，改善电子传输层和钙钛矿活性层的形貌，减少缺陷和载流子湮灭，是一种成本低效率高可同时提升钙钛矿太阳电池光伏性能和稳定性的优选策略。

作者简介

吴季怀教授现任环境友好功能材料教育部工程研究中心主任、福建省光电功能材料重点实验室主任、华侨大学材料物理化学研究所所长，主要研究领域包括染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、光催化纳米插层材料、超级电容器等光电材料和器件，在相关领域取得显著的研究成果，是Clarivate交叉学科高被引科学家，Elsevier材料学科中国高被引学者，RSC综合化学类Top 1%中国高被引作者。

往期回顾

《Research》作为《Science》自1880年创建以来第一本合作期刊，通过《Science》的高影响力国际化传播平台和丰富的国际化高端学术资源，正在快速提高期刊的国际知名度和影响力，刊登内容主要集中在：人工智能与信息科学/生物学与生命科学/能源研究/环境科学/新兴材料研究/机械/科学与工程/微纳米科学/机器人与先进制造领域。《Research》现已被DOAJ、PMC、CSCD、Scopus等数据库收录。

欢迎相关领域的科学家们踊跃投稿，关注和使用期刊的出版内容。

网址：https://spj.sciencemag.org/research/

Research编辑

识别二维码

与Research编辑面对面

Research科学研究

关注交叉学科热点领域突破

点击好看，分享给科学界