富勒烯衍生物助力高开路电压锡基钙钛矿太阳能电池｜Nature Communications

2020-04-02

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近期，上海科技大学宁志军课题组在Nature Communications上发表题为“Ultra-high open-circuit voltage of tin perovskite solar cells via an electron transporting layer design”的研究论文[2]，在锡基钙钛矿太阳能电池开路电压方面取得了突破。该工作是宁志军课题组在前期引入低维锡基钙钛矿结构[3]和纳米梯度结构[4]制备高效器件的基础上，在锡基钙钛矿太阳能电池方面的又一个重要进展（图1）。

图1. 锡基锡基钙钛矿太阳能电池效率发展图

铅钙钛矿太阳能电池目前已经取得了25.2%的认证效率，但是可溶性的重金属铅可能造成的管制问题和环境问题[1]，将会对铅钙钛矿的商业化应用带来了一些不确定的因素，尤其是在可穿戴器件以及室内和建筑物等人口密集的场所中的应用，因此非铅钙钛矿太阳能电池的开发对钙钛矿太阳能电池的应用具有重要意义。锡基钙钛矿具有和铅基钙钛矿相媲美的光电特性，比如高吸光系数、高载流子迁移率、合适的光学带隙等，是理想的环境友好型光伏材料。

近年来，锡基钙钛矿太阳能电池的性能取得了快速的发展，但是它们较小的开路电压限制了器件的效率。目前文献报道的开路电压一般在0.6 V以下，相比于锡基钙钛矿1.35 eV左右的带隙，器件的开路电压损失在0.7 V以上。因此，虽然锡基钙钛矿太阳能电池的短路电流和铅基钙钛矿接近，目前锡基钙钛矿太阳能电池的最高光电转化效率停留在10%左右。

目前业内认为钙钛矿氧化和空位缺陷是锡基钙钛矿器件较低的开路电压的主要原因。在这项研究中，作者提出了全新的研究思路，从器件结构的角度出发，在低维锡基钙钛矿结构和反式太阳能电池结构基础上，设计利用较浅LUMO轨道能级的富勒烯衍生物ICBA作为电子传输层材料，取代常用的富勒烯衍射物PCBM，实现了锡钙钛矿和电子传输层之间的能级匹配。同时ICBA抑制了碘离子长程掺杂带来的电子传输层载流子浓度提高，降低了界面的载流子复合。这两个因素一起，实现了0.94 V的开路电压（图2），并取得了第三方实验室认证的12.4%能量转换效率，这是目前认证效率最高的锡基钙钛矿太阳能电池。

图2：（a）锡基钙钛矿电池的能级结构示意图，（b）AM1.5G光照下基于不同电子传输层的器件J-V曲线图。

图3：（a）锡钙钛矿与电子传输层之间的界面电势SKPM扫描图；（b）锡钙钛矿和电子传输层之间的界面非辐射复合示意图。

该工作说明除锡钙钛矿活性层的缺陷之外，锡钙钛矿的P型掺杂特点所带来的界面复合是影响器件开路电压的重要因素，合理的界面设计是提高锡钙钛矿太阳能电池性能的重要途径。

该论文的第一作者为上海科技大学博士生姜显园和王飞，通讯作者为上海科技大学宁志军教授，苏州纳米所陈立桅研究员和陈棋副研究员为共同作者。

References

1.Li J. et al. Biological impact of lead from halide perovskites reveals the risk of introducing a safe threshold, Nat. Commun.11, 310 (2020)

2.Jiang X. et al. Ultra-high open-circuit voltage of tin perovskite solar cells via an electron transporting layer design, Nat. Commun.12, 1245 (2020), DOI: 10.1038/s41467-020-15078-2

3.Liao, Y. et al. Highly oriented low-dimensional tin halide perovskites with enhanced stability and photovoltaic performance. J. Am. Chem. Soc. 139, 6693–6699 (2017).

4.Wang, F. et al. 2D-quasi-2D-3D hierarchy structure for tin perovskite solar cells with enhanced efficiency and stability. Joule 2, 2732–2743 (2018).

摘要：Tin perovskite is rising as a promising candidate to address the toxicity and theoretical efficiency limitation of lead perovskite. However, the voltage and efficiency of tin perovskite solar cells are much lower than lead counterparts. Herein, indene-C60 bisadduct with higher energy level is utilized as an electron transporting material for tin perovskite solar cells. It suppresses carrier concentration increase caused by remote doping, which significantly reduces interface carriers recombination. Moreover, indene-C60 bisadduct increases the maximum attainable photovoltage of the device. As a result, the use of indene-C60 bisadduct brings unprecedentedly high voltage of 0.94 V, which is over 50% higher than that of 0.6 V for device based on [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester. The device shows a record power conversion efficiency of 12.4% reproduced in an accredited independent photovoltaic testing lab.

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