研究背景
钙钛矿太阳能电池(PSC)正在成为一项革命性的光伏技术，有可能颠覆成熟的硅太阳能电池市场，目前已实现 25.7% 的光电转换效率。PSC技术的显著进步主要归功于器件结构、钙钛矿成分、器件稳定性和界面电荷传输层的广泛优化。通过有机体异质结(BHJ)进行光管理拓宽光谱响应范围可以提高铅基钙钛矿太阳能电池的性能。然而，集成钙钛矿/有机体异质结太阳能电池(IPSC)的发展遇到了一个瓶颈问题，即钙钛矿和BHJ的载流子提取能力差，导致开路电压 (Voc) 和填充因子 (FF) 严重损失。
成果简介
近日，吉林大学宋宏伟\u0026周东磊团队采用将黑磷量子点 (BPQDs) 和氧化亚铜 (CuOx) 引入IPSC的策略，不仅成功地将单组分PSCs的光响应扩展到930 nm，使太阳能电流密度提高了16.5%，同时也显着降低了IPSC的Voc和FF损失。
具有双极电荷传输和高迁移率特性的BPQD改善了钙钛矿和BHJ薄膜的电子/空穴传输行为，并减少了钙钛矿/BHJ 界面处的载流子积累。在BHJ层和Spiro-OMeTAD层之间引入了能级匹配的CuOx作为缓冲层，为光生空穴的运输提供了良好的驱动力。冠军器件获得了23.52%的光电转换效率。本研究提出了一种解决IPSC中载流子提取关键问题的方法，对IPSC光管理的发展具有指导意义。
研究内容
1.材料与器件结构表征
将具备双极性传输的BPQDs引入钙钛矿太阳能电池中的钙钛矿层和BHJ层，提升二者的载流子提取能力，将CuOx引入到BHJ层与Spiro-OMeTAD层之间提升器件对光生空穴的提取能力。
图1材料与器件结构表征图
2.CuOx对器件电学性能影响
首先，本文对CuOx缓冲层对钙钛矿太阳能电池电学性能的影响和机理进行了详尽的研究，发现CuOx可以增强器件空穴传输层对空穴的提取能力，减少钙钛矿活性层与空穴传输层之间界面载流子的积累，进而抑制钙钛矿活性层与空穴传输层界面处发生的非辐射复合, 提升PSC的电学性能。
图2 CuOx对器件电学参数影响图
3.BHJ，BPQDs对器件电学性能影响
然后，本文对BHJ和BPQDs对钙钛矿太阳能电池电学性能的影响进行了详尽的研究。
图3 BHJ，BPQDs对器件电学参数影响图
4.BHJ，BPQDs影响器件电学性能机理研究
BHJ将钙钛矿太阳能电池的光谱响应范围拓宽至930 nm。BPQDs调节了钙钛矿层和BHJ层对光生电子和空穴的提取能力，减少了钙钛矿层与BHJ层界面处的载流子有害复合。
图4.BHJ，BPQDs影响器件电学性能机理分析图
5.BPQDs对IPSCs器件内部载流子转运的影响研究，BPQDs为IPSC器件内部载流子提供了额外的转运通道。
图5 IPSCs器件内部载流子转运机理图
6.BPQDs，BHJ对器件稳定性影响及影响机理研究，BHJ和BPQDs可以显著提升器件的湿度稳定性和长时稳定性。
图6 BPQDs，BHJ对器件稳定性影响
总结展望
本文提出一种消除IPSC中钙钛矿，BHJ和空穴传输层内部及界面间严重非辐射复合的有效策略，为未来高性能IPSC的应用奠定了基础。
论文信息
Zhichong Shi, Donglei Zhou*, Xinmeng Zhuang, Shuainan Liu, Rui Sun, Wen Xu, Le Liu, Hongwei Song*. Light management through organic bulk heterojunction and carrier interfacial engineering for perovskite solar cells with 23.5% efficiency. Advanced Functional Materials,2022.
DOI：10.1002/adfm.202203873
近日，中国科学院大连化学物理研究所薄膜太阳能电池研究组研究员刘生忠、博士王开团队采用狭缝涂布制备方法，结合高压氮气萃取和离子液体钝化钙钛矿界面技术，制备出钙钛矿太阳能电池，该电池小面积效率达到22.7%（0.09cm2），大面积组件达到19.6%（7.92cm2）。
狭缝涂布技术以成本低、生产量大、连续性好等优点，成为钙钛矿太阳电池领域具有产业化前景的沉积技术之一。但是对于钙钛矿薄膜的大面积制备技术，如何控制大面积薄膜均匀性（厚度约500nm）和降低薄膜的缺陷密度仍具挑战。
研究人员采用狭缝涂布沉积技术，结合高压氮气萃取（high pressure nitrogen-extraction）策略，有效调控钙钛矿薄膜的形核和晶粒生长，并驱动稳定中间相的形成，从而沉积制备出均匀致密的钙钛矿薄膜。研究发现，狭缝涂布沉积结合高压氮气萃取技术，可实现宽窗口大面积印刷钙钛矿薄膜，提高器件良率。此外，为有效减少钙钛矿表面缺陷，研究采用离子液体对表面进行有效钝化处理，将小面积太阳电池的效率提高至22.7%，并将该策略扩展到大面积太阳电池制造，在40×40mm2的衬底上制备的钙钛矿电池组件的稳态输出效率达到19.4%。
该研究表明，结合高压氮气萃取技术的狭缝涂布印刷是一种高效、宽窗口、低成本、可扩展面积的钙钛矿太阳电池制备技术，有利于促进狭缝涂布沉积工艺的发展、推动该技术在大批量卷到卷连续沉积中的应用。相关研究成果发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到中科院战略重点研究项目、国家自然科学基金、辽宁省博士创业基金、大连化物所创新基金项目、中科院洁净能源创新研究院、国家重点研究项目、高等学校学科创新引智计划（“111计划”）、中科院知识创新工程等的资助。
大连化物所采用狭缝涂布沉积技术制备高效率大面积钙钛矿太阳组件电池
来源：中国科学院大连化学物理研究所