中国科学院化学研究所有机固体实验室李玉良

xiandao

物理所李冬梅、孟庆波教授&北化所李玉良院士AEM: 基于石墨炔体异质结且湿稳性高的高效钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池以其优异的能量转换效率，在光伏领域掀起了新的研究热潮。近几年，钙钛矿电池的光电转换效率逐步飞升，通过调整钙钛矿成分使其效率已高达到22%。这种强大的电池性能主要归功于钙钛矿材料独特的特性，如低激子结合能、吸收可见光的可调带隙、高吸收系数、特别是双极性特性。研究发现，钙钛矿多晶薄膜的电子、空穴迁移率差异较大，尤其对于P型钙钛矿，其空穴迁移率远高于电子迁移率。当器件在光照时，电子传输必然存在一定损耗。构建体异质结是加速激子分离、提高光生载流子抽取和输运效率的有效手段。目前，基于体异质结的有机太阳能电池的应用已经非常成功，但是将体异质结应用于钙钛矿太阳能电池的工作鲜有报道。显然，选择合适的半导体材料（高的载流子迁移率以及合适的能带结构）是构建高性能体异质结的关键。




石墨炔是一种sp和sp2杂化的π共轭体系的二维材料，其独特的碳结构赋予了材料新的内涵，包括丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距、优良的物理化学稳定性和平面内均匀分布的孔洞结构，表现出n型半导体特性，且拥有适当的带隙、理论上高的电子态密度及良好的疏水性。


近日，物理所李冬梅、孟庆波教授联合北化所李玉良院士（共同通讯作者）在钙钛矿太阳能电池展开合作，通过反溶剂法一步将石墨炔引入FA0.85MA0.15Pb(I0.85Br0.15)3钙钛矿层，构建了石墨炔/钙钛矿（GDY/PVSK）体异质结薄膜。实验证明，钙钛矿/石墨炔体异质结的引入为光生载流子提供了一个额外的传输通道，促进了激子分离并提高光生电子的抽取能力，使得电子传输能力得到了进一步改善，电池获得了更高的短路电流。另一方面，石墨炔的引入钝化了晶界和界面，有效地抑制了光生载流子的复合，获得了相对较高的填充因子。钙钛矿电池的光电转换效率（PCE）达到了20.54%。此外，基于石墨炔/钙钛矿体相异质结的钙钛矿薄膜的耐湿性得到明显改善，器件表现出良好的稳定性。这项工作通过构建体相异质结来加速激子分离和光生电子输运，不仅有利于提升器件性能，同时也提高了器件稳定性，为制备高效、稳定的钙钛矿太阳能电池提供了一种新方法。该研究成果以题为“Graphdiyne-Based Bulk Heterojunction for Effcient and Moisture-Stable Planar Perovskite Solar Cells”发布在国际著名期刊Adv. Energy Mater.上。

通过成功的将石墨炔引入到钙钛矿薄膜FA0.85MA0.15Pb(I0.85Br0.15)3中，作者成功制备了一种新型的平面钙钛矿太阳能电池。由于GDY优异的载流子迁移率，这种新型的太阳能电池的光生载流子抽取和电子迁移率大大增加，具有较高的短路电流。就GDY的半导体特性和钙钛矿的能带结构而言，作者还提出了石墨炔/钙钛矿体异质结，其可以通过漂移和扩散力来加速光生载流子抽取和输送，从而大大提高了JSC。同时，实验显示适当添加石墨炔可以有效的钝化晶面和界面，抑制光生载流子的复合，获得更高的FF，其光电转换效率高达20.54%。进一步实验表明，石墨炔的引入可以大大增强钙钛矿薄膜和器件的湿稳性，在长达140天的敞口放置仍能保持95%的光电转换效率。

文献链接：Graphdiyne-Based Bulk Heterojunction for Effcient and Moisture-Stable Planar Perovskite Solar Cells (Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1802012)