钙钛矿太阳能电池中界面的修饰与调控及其对器件性能的影响

钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）具有高能量转换效率、低成本和制备工艺简单等特点，因而备受关注。短短的9年时间里，PSCs的光电转换效率已从最初的3.8%提升至23.3%。值得注意的是，PSCs作为一种新型薄膜太阳能电池，各功能性膜层间的接触界面依然存在。光生载流子在PSCs器件中各界面处的复合概率要远大于在钙钛矿材料体相中的复合。因此，对器件中的界面进行修饰与调控可以成为抑制载流子在界面处的复合速率、提升器件光电转化效率的有效手段。作为钙钛矿太阳能电池体系中的关键界面之一，电子传输层与钙钛矿层之间的界面（ETL/Perovskite）关系到光生载流子能否顺利地从光吸收层传输至n型半导体，而该界面处电荷间的复合问题也会严重制约钙钛矿太阳能电池的光伏性能。因此，利用石墨烯基材料对ETL/Perovskite界面进行修饰，可以改善ETL对光生电子的抽取与传输能力，整个器件的串联电阻得以降低，可以有效提升钙钛矿太阳能电池的器件性能。另外，钙钛矿层与空穴传输层之间的界面（Perovskite/HTL）同样也是钙钛矿太阳能电池体系中极其重要的界面之一，平整光滑无孔洞的钙钛矿薄膜能够更好地与空穴传输层接触，光生空穴能够有效传输至p型半导体；而结晶性良好、高质量的钙钛矿薄膜能够产生更多的光生载流子，以保证足够多的载流子能被电极收集。因此，通过控制钙钛矿前驱体薄膜在结晶过程中的成核、生长速率，能够调控钙钛矿薄晶体的尺寸大小，制备所得的高质量钙钛矿吸光薄膜可以改善载流子的输运性能，提升钙钛矿太阳能电池的光电转化效率。

近日，针对ETL/Perovskite界面，福州大学的魏明灯教授（点击查看介绍）团队提出了一种简单有效的策略，将石墨烯量子点（GQDs）修饰的介孔TiO₂薄膜作为钙钛矿太阳能电池的电子传输层，利用GQDs超高的导电性能以提升ETL对光生电子的抽取、传输能力，器件的光电流得以显著提升，钙钛矿太阳能电池的光电转化效率超过20%（图1）。

图1. （a）石墨烯量子点（GQDs）的TEM成像（内图右上：GQDs的HRTEM成像；内图右下：GQDs溶液成像）；（b）基于石墨烯量子点修饰的最优钙钛矿太阳能电池的J-V曲线。

另外，针对Perovskite/HTL界面，该团队利用导电玻璃（FTO）辅助钙钛矿薄膜退火的方法，有效控制钙钛矿薄膜前驱体溶液中DMSO溶剂的挥发速率。通过改变FTO辅助退火的时间，得到的最大钙钛矿晶粒尺寸可达2 μm，基于此方法制备得到的高质量钙钛矿吸光薄膜平整光滑无孔洞，且结晶性良好。基于此方法组装的小面积（0.09 cm²）平面结构钙钛矿太阳能电池光电转化效率超过18%，大面积（1 cm²）器件的光电转化效率最高可达15.77%（图2）。

图2. 基于不同退火方法制备得到的钙钛矿薄膜晶体的尺寸变化：（a）传统退火方法；（b）导电玻璃辅助退火方法；（c）基于导电玻璃辅助的退火方法制备得到的大面积（1 cm²）最优钙钛矿太阳能电池的J-V曲线。

相关论文分别发表在J. Power. Source ¹和J. Mater. Chem. A ²上，第一作者为博士研究生沈德立。

1. 该论文作者为：Deli Shen, Weifeng Zhang, Fengyan Xie, Yafeng Li, Antonio Abate and Mingdeng Wei

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Graphene quantum dots decorated TiO₂ mesoporous film as an efficient electron transport layer for high-performance perovskite solar cells

J. Power. Source, 2018, DOI: 10.1016/j.jpowersour.2018.09.056

2. 该论文作者为：Deli Shen, Haijuan Mao, Yafeng Li, Antonio Abate and Mingdeng Wei

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Covering effect of conductive glass: a facile route to tailor the grain growth of the hybrid perovskite for highly efficient solar cells

J. Mater. Chem. A, 2018, DOI: 10.1039/C8TA07043A

导师介绍

魏明灯

http://www.x-mol.com/university/faculty/9546