Adv. Mater.华中科技大学陈炜教授：高效、高稳定全无机界面钙钛矿太阳能电池

【引言】

12月16日，《先进材料》(Advanced Materials)在线发表了华中科技大学、武汉光电国家实验室（筹）陈炜教授（通讯作者）课题组在钙钛矿太阳能电池领域的一项研究成果“CuGaO2: A Promising Inorganic Hole-Transporting Material for Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells．”

有机-无机杂化钙钛矿材料因为具有可调的带隙、较高的消光系数、较低的激子束缚能和双极性电荷传输等优点受到广大科研工作者的关注。仅仅短短的五六年时间，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率就达到了22.1%，但是器件的稳定性问题一直是该领域关注的焦点，也是当前制约其应用的主要瓶颈。除了钙钛矿自身需要改进稳定性以外，一些由界面电荷传输材料引起的稳定性问题也不可忽视。例如，钙钛矿电池发展至今最常用的一种有机空穴传输材料，Spiro-OMeTAD为增强其导电性需要掺杂多种对水氧敏感的离子添加剂（Li盐、Co盐等），这会加快钙钛矿电池器件的衰变速度，从而导致器件稳定性的问题被显著放大。

【成果简介】

采用稳定廉价的无机空穴传输材料取代Spiro-OMeTAD引起了科学家们广泛的研究兴趣。武汉光电国家实验室（筹）的陈炜教授课题组长期致力于研究无机纳米半导体材料，能够将铜铁矿晶体结构的p型半导体CuGaO₂制备成特定的纳米片形貌（~50nm宽, ~10nm厚），近期将该材料应用于钙钛矿太阳能电池，取得了很好的效果。与Spiro-OMeTAD相比，CuGaO₂作为空穴传输材料具有以下明显优势：（1）其由纳米墨水涂布的薄膜导电性能优于Spiro-OMeTAD，从而导致器件的迟滞效应更小；（2）光生电荷更优的界面传输和更少的内部复合导致更高的电池效率，优化后达到18.51%，是全无机界面钙钛矿太阳能电池有报道的最高效率之一；（3）更高水氧稳定性导致器件的稳定性显著升高，在室内环境中存放30天仍保持了初始值90%以上的效率；（4）CuGaO₂纳米片可以很好的分散在异丙醇溶剂中，以低温涂布的方式安全的沉积到钙钛矿薄膜表面，纳米片作为二维材料具有良好的成膜性。除此以外，需要强调是本征的p型无机半导体材料可选择性较少，CuI、CuSCN、Cu₂O与钙钛矿在一起使用时稳定性都不够理想，NiO虽然足够稳定，但通常导电性不佳。CuGaO₂作为Cu₂O的一种衍生材料此时具有独特的优势，从晶体结构的角度保证了两者类似的导电性，同时通过Cu-O-Ga层状晶格嵌套，还赋予了CuGaO₂较高的化学稳定性，可以耐受作为路易斯强酸的钙钛矿材料的化学腐蚀。该材料的应用成功，为今后钙钛矿太阳能电池发展提供了新的思路。

该工作得到了国家自然科学基金（51672094）和华中科技大学自主创新基金（2016JCTD111）的支持。国际知名太阳能电池专家，华盛顿大学的Alex K.-Y. Jen教授为论文的共同通讯作者。

【图文解读】

图1：CuGaO₂的晶体结构及太阳能电池器件结构示意图

a）CuGaO₂的晶体结构的示意图。 b）基于CuGaO₂的规则钙钛矿太阳能电池的器件结构。 c）相对于真空水平的相应能带图。

图2:CuGaO₂纳米板的表征图

a）用微波辅助水热反应合成的CuGaO₂纳米板的XRD图。

b）所制备的CuGaO₂纳米板的TEM图像。

c）HRTEM图像和选择区域电子衍射（SAED）图案（插图）。

d）旋涂CuGaO₂膜的SEM图像。

e-f）e) 基于MAPbI_3-xCl_x膜的CuGaO₂和螺-OMeTAD的稳态光致发光和 f)时间分辨PL衰变光谱。 插图是更高放大率的图像。

图3：太阳能电池器件的横截面及电流 - 电压曲线

a）在这项工作中制备的太阳能电池器件的横截面。

b）基于CuGaO₂的最佳性能器件和控制器件电流 - 电压曲线，使用具有0.09cm²的开口面积的金属罩，以0.07Vs^-1的扫描速率的反向扫描模式。

c）优化的基于CuGaO₂的器件和控制器件的V_OC对于不同光强度的依赖性。

d）优化的CuGaO₂基器件和控制器件在黑暗条件下的电流 - 电压曲线。

e）优化的基于CuGaO₂的装置和控制装置的最大功率点处的稳态功率输出。

f）通过基于CuGaO₂和螺-OMeTAD HTL的50个器件的统计来评估PCE的标准偏差以评估再现性。

图4：归一化装置性能参数的演变

在30％-55％湿度，T = 25℃的环境下测量的优化的基于CuGaO₂的装置和控制装置的归一化装置性能参数的演变。

a）归一化PCE。 b）标准化VOC。 c）归一化JSC。 d）归一化FF。

【总结】

CuGaO₂作为Cu₂O的一种衍生材料此时具有独特的优势，从晶体结构的角度保证了两者类似的导电性，同时通过Cu-O-Ga层状晶格嵌套，还赋予了CuGaO₂较高的化学稳定性，可以耐受作为路易斯强酸的钙钛矿材料的化学腐蚀。该材料的应用成功，为今后钙钛矿太阳能电池发展提供了新的思路。

文献链接：CuGaO2: A Promising Inorganic Hole-Transporting Material for Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells (Adv. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adma.201604984)

本文由材料人新能源组 背逆时光 供稿，材料牛编辑整理。

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