Nano Lett. 华中科技大学：聚合物电极用作彩色钙钛矿太阳能电池的光谱选择性抗反射涂层

【引言】

有机金属卤化钙钛矿具有直接带隙，吸收系数大，激子结合能低，载流子扩散长度大，电荷载流子迁移率高等优异的光电特性，并且制备简单，在诸如太阳能电池、LED、激光器件、光探测器和铁电器件等半导体器件中都有广泛地应用。尤其是有机金属卤化钙钛矿太阳能电池，其能量转换效率最高达22.1%，超过了多晶硅太阳能电池效率。伴随着太阳能电池技术的日益成熟，太阳能电池在一些领域（如可穿戴电子设备）的应用使得它们需要具有一定的审美特性。然而，为了最大化整个可见光域内的光学吸收获得高的能量转换效率，目前太阳能电池在外观上都选择做成黑色，但这也极大地降低了太阳能电池在审美层面上的吸引力。因此，开发一种符合审美要求的高效彩色钙钛矿太阳能电池是非常重要的。

【成果简介】

近日，华中科技大学武汉光电国家实验室周印华教授（通讯作者）研究团队在Nano Letters上发表一篇题为“Efficient Colorful Perovskite Solar Cells Using a Top Polymer Electrode Simultaneously as Spectrally Selective Antireflection Coating”的文章。该研究团队以PEDOT:PSS聚合物为反射电极，制成结构为FTO/c-TiO₂/m-TiO₂/钙钛矿层/HTL/PEDOT:PSS的钙钛矿太阳能电池。团队研究人员分别通过旋涂和转印技术制备PEDOT:PSS抗反射电极层，并采用调整控制旋涂参数以及改变转印过程中沉积层数的方法来控制PEDOT:PSS层的厚度。经过调节PEDOT:PSS层厚度和选择不同HTL层，团队研究人员获得了具有宽色域的彩色钙钛矿太阳能电池，不同颜色电池效率能达到11%至15%，放置在惰性气氛中30天后电池PCE仍能有初始效率的90%。

【图文导读】

图1.简单高效彩色钙钛矿太阳能电池

(a)电池结构示意图，其中顶端电极是由转印技术制成的PEDOT:PSS导电聚合物

(b)彩色钙钛矿太阳能电池照片，照片中多片尺寸为5×5 mm²的彩色钙钛矿太阳能电池组装成彩色字母“H”

图2.折射率(n)和消光系数(k)谱及电池反射率谱

(a)钙钛矿膜的折射率和消光系数谱

(b)PEDOT:PSS膜的折射率和消光系数谱

(c)掺杂Spiro-OMeTAD膜的折射率和消光系数谱

(d)掺杂P3HT膜的折射率和消光系数谱

(e f)空穴传输层分别为掺杂Spiro-OMeTAD和掺杂P3HT时电池反射率与PEDOT:PSS电极厚度之间的函数关系谱图，其中电池结构为FTO/c-TiO₂/m-TiO₂/钙钛矿层/HTL/PEDOT:PSS

图3.电池照片及光学特性

(a)钙钛矿电池的照片，电池结构为FTO/c-TiO₂/m-TiO₂/钙钛矿层/HTL/PEDOT:PSS，HTL分别为掺杂Spiro-OMeTAD和掺杂P3HT，PEDOT:PSS厚度为40-160 nm或不同层数（1-4层）的PEDOT:PSS膜

(b)电池的实验测量反射率和模拟测量反射率，HTL为Spiro-OMeTAD

(c)CIE 1931色彩空间中电池的颜色，HTL分别为Spiro-OMeTAD和P3HT

图4.彩色钙钛矿太阳能电池性能

(a b)光照面分别为FTO面和PEDOT:PSS时彩色钙钛矿太阳能电池各自的J-V曲线，电池结构为FTO/c-TiO₂/m-TiO₂/钙钛矿层/Spiro-OMeTAD/PEDOT:PSS，PEDOT:PSS电极厚度为48 nm、95 nm和160 nm，插图是95 nm厚PEDOT:PSS层彩色电池在最大功率点(V_mpp=0.88 V)处的稳态光电流和PCE

(c d)光照面分别为FTO面和PEDOT:PSS时彩色钙钛矿太阳能电池各自的EQE谱，PEDOT:PSS电极厚度为48 nm、95 nm和160 nm

【小结与展望】

用不同厚度的PEDOT:PSS聚合物导电膜取代传统的金属电极，再借以存在于PEDOT:PSS电极、HTL和钙钛矿层之间的反射和发射电磁场作用，使得制备形成的钙钛矿太阳能电池在外观上表现出不同的颜色，同时电池PCE也能达到一个不错的水平。像这种在大折射率膜和小折射率膜之间天然存在的干涉效应也可以应用于其它类型的薄膜太阳能电池，同时也能有力地推动彩色薄膜太阳能电池在多种领域的应用，如建筑用材、电动车和可穿戴电子设备等。

文献链接：Efficient Colorful Perovskite Solar Cells Using a Top Polymer Electrode Simultaneously as Spectrally Selective Antireflection Coating(Nano Letters, 2016, DOI:10.1021/acs.nanolett.6b04019)

本文由材料人编辑部新能源学术组Jon供稿。

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