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Nature Mater.：梯度带隙钙钛矿太阳能电池
钙钛矿太阳能电池近几年取得了飞跃式发展，最明显的是其光电转换效率（PCE）几年内快速增长，已经翻了几番，而且还在不断刷新记录。新的一年，单层稳定效率很有可能会很快超越25%，而叠层（如与硅太阳能电池叠层）则有可能超越30%。
钙钛矿-钙钛矿叠层电池的效率普遍较低。Snaith和McGehee等人近期发表于Science的钙钛矿-钙钛矿叠层电池算是个不小的突破，两端叠层器件效率可达17%，四端叠层器件效率则可以提高到20%（Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aaf9717，点击阅读详细）。另一种进一步提高太阳光谱利用的方法是梯度带隙太阳能电池，原则上电子-空穴收集效率可以大幅度提高，导致较高的输出电压及较大的输出电流。相对于叠层电池，其另外的优势是不需要复杂的连接层，但是复杂的离子混合却使得这种策略实施起来也并非易事。目前并没有基于钙钛矿的梯度带隙太阳能电池被成功报道。近日，加州大学伯克利分校的Alex Zettl（点击查看介绍）团队终于解决了这个难题，他们在Nature Materials报道了一种梯度带隙钙钛矿太阳能电池，光电转换效率平均为18.4%左右（最高21.7%），填充因子达到约75%，短路电流密度达到42.1 mA cm−2。
图一 器件示意图。图片来源：Nature Mater.
在该梯度带隙钙钛矿太阳能电池中（示意图如图一所示），关键的六方氮化硼（hexagonal boron nitride，h-BN）与石墨气凝胶（graphene aerogel，GA）已清晰的展示出来。电池是按照如下方法制备：室温下，在GaN上，应用溶液制备CH3NH3SnI3与CH3NH3PbI3-xBrx，中间用单层h-BN隔开防止离子混合，之后旋涂上空穴传输层以及电流收集层（金），与GaN接触的是Ti/Al/Ni/Au手指电极。
图二 有/无连接层h-BN或者GA的钙钛矿电池。图片来源：Nature Mater.
h-BN及GA对于这一结构十分关键。如图二黑线所示，同时含有h-BN及GA的荧光光谱范围较宽且有多组峰，表明形成了梯度带隙。含有Sn的半导体带隙会降低，而遇到拉力后，则带隙会更低，所以GaN/钙钛矿界面处的应力会导致带隙明显的移动，这使得带隙变得最小接近1 eV，使得光响应超过1250 nm。
图三 a 不同条件下的EQE曲线；b不同条件下的电流电压曲线。图片来源：Nature Mater.
对于同时存在h-BN以及GA，其影响可以达到1400 nm左右，其理论短路电流可以达到50 mA cm−2。没有h-BN以及GA的电池展现出了非常差的光谱相应，而且随着时间流逝而降低，这证实h-BN以及GA的重要性。从图三b可以看出短路电流的范围是从∼25 mA cm−2至∼45 mA cm−2，如此大的电流可能是出现了载流子增殖，比如由于期间中较强的内建电场形成的离子化，多激子的形成都对电流的提高起到了关键作用。电流-电压趋势表明，尽管含有h-BN以及GA的梯度带隙的形成可以提供有效的内建电场，有利于电子-空穴的收集效率但是却降低了开路电压。开路电压的范围为∼0.64V到∼0.9V，由器件的最小带隙而确定。
图四 a随着时间的电池效率变化；b不同效率的电池数目分布；c最高效率的电池的J-V曲线。图片来源：Nature Mater.
正常情况下，钙钛矿电池启用后过小段时间再启用，效率会下降（图四a），而此梯度带隙钙钛矿电池可以稳定于21%左右。同样结构的40组电池，器件的平均光电转换效率为18.4%左右（图四b），其中最高“稳定”效率为21.7%，短路电流为42.1 mA cm−2，开路电压0.688 V，填充因子约为75%（图四c）。
随后作者研究了不同的连接层的作用，其中h-BN对于形成梯度带隙至关重要；GA对于电池的湿度耐受起到关键作用，而且对于钙钛矿结晶的生成及生长起到重要作用；GaN则是可以调节界面形貌，提高电子传输特性。
梯度带隙的思路是一个非常好的提高效率的方法，但是其配方不易寻找，下一个问题就是能否找到简单办法以快速获得较好的配方？
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）：
Graded bandgap perovskite solar cells
Nature Mater., 2016, DOI: 10.1038/nmat4795
导师介绍
Alex Zettl教授
http://www.x-mol.com/university/faculty/35070
（本文由科研趣生供稿）