方国家课题组钙钛矿太阳电池及电子隧穿材料研究新成果

sankeshu

发展清洁可持续的能源对人类社会的发展非常重要。太阳能作为一种可持续的清洁能源，可以利用太阳电池将光能直接转化为电能，为人类提供源源不断的能源。

钙钛矿太阳能电池因其效率高、成本低而受到广泛关注。目前转化效率已经可以和硅基的太阳能电池相媲美。有机无机杂化钙钛矿材料具有高吸光系数、高的载流子迁移率、较低的激子结合能、较长的载流子寿命，以及带隙可控、低成本和可溶液法制备等特点，在激光、发光二极管、光电探测器、单层及叠层太阳能电池领域都展现出巨大的发展潜力。提高其稳定性（包括光稳定性，湿度稳定性，热稳定性以及长期稳定性等）是其走向工业化实际应用的关键。

倒置结构钙钛矿太阳电池、具有器件工艺重复性好、器件回滞小等优势，但其钙钛矿体内缺陷及界面缺陷导致的不稳定性需要有效抑制。在倒置结构的电池中，金属电极特别容易扩散渗透到钙钛矿层中并发生化学反应造成严重的漏电，使器件性能快速下降。所使用的电子传输材料大部分都是有机材料，外界的水汽，氧气等很容易与其及钙钛矿直接反应，使器件受损。

我院方国家教授课题组，与刘昌教授课题组和美国托莱多大学鄢炎发教授合作，将宽带隙金属氧化物半导体材料氧化镓(Ga2O3)应用在倒置结构的钙钛矿太阳能电池中作为电子隧穿层和保护层。 研究人员使用原子层沉积工艺在金属电极和电子传输层界面沉积了高质量超薄的Ga2O3纳米层。研究发现，一方面，由于薄的Ga2O3层能够使电子有效地隧穿，同时Ga2O3宽的带隙和低的价带位置可大大抑制了载流子的界面复合，有效改善了界面的接触，减少了漏电情况，提升了电池性能。另一方面，Ga2O3作为无机材料，显现了出色的环境稳定性。它能够抑制银电极材料向钙钛矿吸光层内的渗透，隔绝空气中水分对电池的直接侵蚀，从而使器件的稳定性能得到明显的改善。

通过Ga2O3薄膜的界面修饰，绿色环保的乙酸乙酯反溶剂的使用以及稠环结构有机小分子(IDIC)对薄膜的缺陷钝化，研究人员制备出了基于Ga2O3保护层的梯度体异质结倒置钙钛矿太阳能电池，并获得了19.86%的光电转换效率。该成果以“Effcient and Stable Nonfullerene-Graded Heterojunct Inverted Perovskite Solar Cells with Inorganic Ga2O3 Tunneling Protective Nanolayer”为题在国际权威期刊《Advanced Functional Materials》在线发表。文章署名第一单位为武汉大学物理科学与技术学院。论文第一作者为博士生马俊杰。

该工作得到了国家科技部863计划，国家自然科学基金委等相关项目的支持。

图（a）器件结构示意图（b）梯度体异质结钙钛矿薄膜制备示意图

（c）器件能带结构图（d）器件效率及回滞图

（e）提升器件稳定性原理图（f）器件稳定性表现

论文链接地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201804128