目前高效的鈣鈦礦電池均采用低溫致密TiO2與高溫多孔TiO2相結(jié)合的介孔結(jié)構(gòu)作為電子傳輸層,但介孔層制備溫度較高、工藝過(guò)程較為復(fù)雜,不利于大規(guī)模生產(chǎn)。近年來(lái),人們發(fā)現(xiàn)有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化的鈣鈦礦材料具有幾微米甚至長(zhǎng)達(dá)上百微米載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度,遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的有機(jī)半導(dǎo)體幾十納米的擴(kuò)散長(zhǎng)度。鑒于鈣鈦礦自身優(yōu)異的電荷傳輸能力,可完全不需要借助高溫?zé)Y(jié)TiO2介孔層來(lái)輔助電子傳輸,制備簡(jiǎn)單平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。
平面結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池具有制備工藝簡(jiǎn)單、低溫制備且與柔性器件制備工藝兼容等優(yōu)勢(shì)。但人們廣泛研究的基于TiO2致密層的鈣鈦礦電池存在嚴(yán)重“電滯”現(xiàn)象,在反向測(cè)量(從開(kāi)路電壓掃到短路電流)條件下能獲得較高效率,但正向測(cè)量(從短路電流掃到開(kāi)路電壓)時(shí)效率較低,使得人們不能正確評(píng)判這類(lèi)電池光電轉(zhuǎn)換效率。“電滯”現(xiàn)象一直困擾平面鈣鈦礦電池研究,導(dǎo)致該現(xiàn)象可能的原因包括:鈣鈦礦層中離子移動(dòng)、鈣鈦礦/電子傳輸層TiO2界面缺陷或能級(jí)排布差異等形成的勢(shì)壘,以及TiO2低的電子遷移率等阻礙了電子從鈣鈦礦到電子傳輸層的有效輸運(yùn)。近來(lái),人們利用具有離子鈍化作用及快速電荷轉(zhuǎn)移能力的富勒烯材料改性TiO2致密層表面,增強(qiáng)了電子的抽取,有效減少了“電滯”現(xiàn)象。但富勒烯存在價(jià)格昂貴、在空氣中不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。因此,開(kāi)發(fā)一類(lèi)低成本、穩(wěn)定的具有強(qiáng)電子抽取能力的電荷傳輸層至關(guān)重要。
最近,中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員游經(jīng)碧與張興旺等利用比TiO2導(dǎo)帶能級(jí)深、遷移率高的無(wú)機(jī)穩(wěn)定的金屬氧化物SnO2取代傳統(tǒng)的TiO2作為鈣鈦礦電池的電子傳輸層,降低了鈣鈦礦與電子傳輸層之間的勢(shì)壘,加快電子從鈣鈦礦到電子傳輸層的轉(zhuǎn)移,減少了界面電荷積累。他們研制出了基于SnO2電子傳輸層的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦電池(圖1a),實(shí)驗(yàn)證實(shí)了SnO2可顯著提高電子從鈣鈦礦吸收層到電子傳輸層的轉(zhuǎn)移速率(圖1b),所制備的電池基本無(wú)“電滯”現(xiàn)象(圖1c)。此外,借助鈣鈦礦層退火形成過(guò)程中稍過(guò)量加熱生成少量PbI2鈍化鈣鈦礦晶界的作用,減少?gòu)?fù)合過(guò)程,獲得了光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)19.9±0.6%的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦電池,并得到了美國(guó)光伏論證機(jī)構(gòu)Newport的權(quán)威認(rèn)證。這些結(jié)果展示了獲得高效無(wú)“電滯”平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦電池是完全可行的,為制備高效無(wú)電滯鈣鈦礦太陽(yáng)能電池提供了新的方向和思路,有力推進(jìn)了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的進(jìn)一步發(fā)展。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在最近出版的《自然-能源》期刊上(Q.Jiangetal.,NatureEnergy,1,16117(2016))。
博士生蔣琦是該文章的第一作者,游經(jīng)碧與張興旺是該論文的通訊作者。該工作得到了中組部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市科委以及國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的經(jīng)費(fèi)支持。