集成钙钛矿/BHJ高效太阳能电池外文翻译资料

 2022-10-30 11:04:30

集成钙钛矿/BHJ高效太阳能电池

摘要:我们已经成功展示了集成钙钛矿/BHJ(BHJ)电池,用于有效光采集和能量转换。我们将两种光伏层—钙钛矿薄膜和有机BHJ薄膜有效集成到器件中,结构为ITO/TiO2/钙钛矿/BHJ/MoO3/Ag,宽带隙的小分DOR3T-TBDT 在BHJ薄膜中作为电子给体,使集成电池能量转换效率(PCE)达到14.3%,短路电流(JSC)达到21.2mA·cm-2。与只有HTL(HTL)的传统钙钛矿太阳能电池相比(JSC为19.3mA·cm-2),集成电池的JSC更高,表明BHJ薄膜吸收的太阳光能使电池的电流密度增大。进一步研究表明,传统钙钛矿太阳能电池中的HTL层,即使具有很强吸收太阳光的能力,但不能促进整体器件光电流的增加,除非将HTL层变成BHJ层(通过加入电子传输材料如PC71BM)。

关键词:钙钛矿 光伏 BHJ 光响应 载流子复合

最近,杂化金属卤化钙钛矿如三维结构的CH3NH3PbI3和CH3NH3Pb3minus;XClX等已经被用作太阳能电池中的有效吸光材料,并由于其具有合适的禁带宽度,高吸收系数,长激子扩散长度和极高的载流子传输能力而表现出极佳的性能[1-4]。2009年,Miyasaka及其组员率先研制出基于CH3NH3PbI3 的钙钛矿太能电池,能量转换效率达到3.8%[5]。2012年底,Gratzel 和Park et al.采用CH3NH3PbI3作为光收集器,与2,2,7,7-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基] -9,9-螺二芴(spiro--OMeTAD)作为在介孔TiO2层上的空穴传输材料,使能量转换效率高达9.7%[6]。在过去两年,大于15%的PCE已被不同组报告为新材料和工程过程改进[7-14]。随着PCE的不断提高,钙钛矿太阳能电池将有望成为高效低成本的太阳能技术,因此,基于钙钛矿的太阳能电池已经被预测会成为“光伏里的下一个大事件”。

目前,杂化金属卤化物钙钛矿材料如CH3NH3PbI3或CH3NH3Pb3minus;XClX光带隙为1.55eV,在〜800nm处显示起始光响应,但在近红外宽光谱范围内则没有响应,从而阻碍了光子的有效收集和PCE的提高。为了进一步提高钙钛矿太阳能电池的光电性能,可采用的有效方法就是充分利用800nm光波以下的太阳光或者将光吸收能谱扩宽到近红外区。虽然以混合锡卤钙钛矿作为吸光材料的太阳能电池已经能在高达1060nm区实现光响应,但Sn(II)的稳定性差,开路电压低,使其效率难以提高[15-17]。另一个可选择的方法是用串并联电池结构将吸收光谱相近的材料或者吸收光谱互补的材料结合起来,扩宽它的吸收光谱覆盖范围。串并联集成结构由两个或多个子电池组成,子电池光吸收材料的吸收光谱相近或互补,可以有效提高光电效率,减少热损失,吸收更广范围内的太阳光[18,19]。集成电池的总开路电压(VOC)是各子电池VOC之和,JSC则取决于子电池中较小的。为了实现最大的能量输出,各子电池产生的JSC应相等或者相近,以防止光生电荷的堆积。对于串联并联装置,子电池Jminus;V特性耦合使光电流相应叠加,VOC则处于两者之间。然而,无论是串联还是并联结构,子电池之间都需要进行物理隔离,因此使器件制作复杂化[20,21]。考虑到这些劣势,无界面层的并串联电池是一个很有吸引力的选择,因为它不需要复合层,也更容易制作。然而,适合无界面层的并串联电池的材料非常匮乏,成功制作出有效电池的例子也很少。但是,如下所述,钙钛矿材料所具有的优异性能,也许能实现集成电池的高性能。

共轭小分子和聚合物已经被广泛应用在高性能BHJ有机太阳能电池中作光吸收剂[18,22-24],混合薄膜中受体和给体小分子之间的紧密接触促进了有效电荷的产生,电子和空穴的渗透通径使电荷激子能从体薄膜到金属电极进行有效传递。最近,这些共轭有机材料在钙钛矿太阳能电池被用作HTL[25-30],但目前还不清楚HTL的光吸收是否能促进光电流产生[25-27],这些电池的工作机理也尚未揭晓。因此,我们演示了基于钙钛矿和有机BHJ为吸光材料的集成钙钛矿/BHJ器件结构,钙钛矿和有机BHJ薄膜都能在吸光之后传递光电流,所以这种结构可以看做是两个子电池的无层间串联并联连接,我们将DOR3T-TBDT/PC71BM作为BHJ薄膜用在有机太阳能电池中[19],能量转换效率达到14.3%,短路电流为21.2mA·cm-2,表现出良好的性能,通过将窄禁带宽度聚合物用在BHJ薄膜中作给体,效率达到12%,进一步证实了集成电池结构的有效性。EQE数据显示光响应延伸至900nm,而外部量子钙钛矿/聚合物-HTL器件的效率数据显示没有大于800nm的光响应,表明在UV-vis-NIR区域中具有良好光吸收的聚合物HTL没有贡献光电流。我们的结果显示,钙钛矿太阳能电池HTL中的纯小分子和有机物没有促进光电流的产生,而通过与PC71BM受体混合,将BHJ和钙钛矿融合成集成电池结构,我们得到了更高的光电流和PCE。

图1a为集成钙钛矿/BHJ太阳能电池的结构,钙钛矿层吸收UV-vis,BHJ层则吸收钙钛矿层无法吸收的光或近红外光(NIR)。图1c为拟建的电荷产生和传输机理。这种集成钙钛矿/BHJ电池的设计源于:(1)有机金属卤化物钙钛矿材料是直接带隙材料,结合能较弱,激子容易扩散[31]。(2)钙钛矿材料具有双极传输特性,可以有效传输电子和空穴,且子钙钛矿薄膜上的电荷复合率最低[32]。(3)使用正交溶剂制作钙钛矿和有机BHJ,可有效沉积为多层结构。(4)BHJ层中的小分子和聚合物可以作为空穴传输的通道,钙钛矿薄膜中产生的空穴可以通过小分子或聚合物传输到阳极 MoO3/Ag进行收集。(5)BHJ层给体-受体界面产生的激子中,电子可以通过电子接收材料(如PC71BM)网络结构传输到钙钛矿层,再通过钙钛矿层传输到阴极TiO2/ITO进行收集。

图1b 和1d分别为钙钛矿/DOR3T-TBDT:PC71BM集成太阳能电池的能级图和SEM剖面图。如上所述,串并联集成电池的光电流由钙钛矿层和BHJ层产生。从SEM图中可以看出BHJ层均匀覆盖钙钛矿层,说明集成电池是界限清晰的逐层堆叠结构。同时,我们用原子力显微镜(AFM)胶带模式(5mu;mtimes;5mu;m)表征其表面形态,(图S1,附加信息),在钙钛矿层旋涂DOR3T-TBDT:PC71BM BHJ层后,表面粗糙度由40nm降低到15nm。

图2a和2c分别显示了集成钙钛矿/BHJ太阳能电池和不同HTL的单结钙钛矿太阳能电池的J-V曲线,具体的电池性能参数如表1。图2和表1表明,这两种集成电池由于JSC增加,相对用不材料做HTL的单结钙钛矿电池,其性能更佳。将以DOR3T-TBDT为HTL的电池作为参比,其JSC,VOC,FF分别为19.3 mA cmminus;2,0.98 V,72.9%,PCE为13.8%。而集成钙钛矿电池(DOR3T-TBDT:PC71BM,1:0.8)的PCE为14.3%,JSC,VOC,FF分别为21.2 mA cmminus;2,0.99 V,67.9%,其性能的提高主要源于JSC的增加和相应的VOC的增加。由于其吸收与钙钛矿的吸收重叠,很难确认光电流的增加是由于DOR3T-TBDT HTL薄膜还是DOR3T-TBDT/PC71BM BHJ薄膜吸收的太阳光引起。因此,我们引进一种低带隙聚合物PBDTT-SeDPP[33],将它作为单结太阳能电池HTl和BHJ薄膜里的给体。其电池的能级图如图S2(附加信息),用PBDTT-SeDPP做HTL的电池JSC为 18.1 mA cmminus;2,VOC为0.89 V, FF为60.4%,PCE为9.7%。BHJ薄膜(PBDTT-SeDPP/PC71BM,1:2)在有机太阳能电池中PCE为7.2%。将BHJ薄膜用于集成电池,PCE达到12.0%,VOC为0.94 V, JSC增加到20.6 mA·cmminus;2,FF为62.0%。在钙钛矿子电池中,聚合物在BHJ薄膜中相当于HTL,在BHJ子电池中,钙钛矿层可收集电子。因此,与钙钛矿/聚合物太阳能电池相比,集成电池的JSC更高,后者的HTL也能吸收光,但可能并不能使电流密度增加。而在前者BHJ薄膜中产生的激子能在混合层中分散并被分别传输到两个电极。为了进一步证实这个假设,我们进行了下述EQE 和光响应的相关讨论。钙钛矿/PBDTT-SeDPP HTL电池比集成电池的VOC稍低,可能是由于 PBDTT-SeDPP的导电率比PBDTT-SeDPP:PC71BM BHJ薄膜的导电率低。

钙钛矿/HTL电池和钙钛矿/BHJ电池均使用DOR3T-TBDT小分子作为HTL或BHJ中的给体,其性能比用聚合物PBDTT-SeDPP的性能更好。如上所述,小分子或聚合物在电池中是作为HTL,DOR3T-TBDT电池比PBDTT-SeDPP电池性能更好,可能是由于DOR3T-TBDT小分子薄膜的共轭结构更有利于电荷传输。值得注意的是,钙钛矿/HTL电池和钙钛矿/BHJ电池在 Jminus;V曲线上均表现出与传统钙钛矿电池相似的滞后现象[14,34,35](图 S3,附加信息),具体的数据如表S1所示(附加信息)。

作为对比,我们制作了没有MoO3层的光伏电池,发现大多数基于钙钛矿/HTL的光伏电池会短路。集成钙钛矿/BHJ电池与钙钛矿/HTL电池相比表现出更高的电阻率,但是因其VOC和FF较低,性能反而更差(图S4,附加信息)电池中的MoO3可看做是HTL与银电极或BHJ层和银电极的过渡层,可以防止因银电极的沉积而使有机层被破坏,同时也可以使空穴在从HTL或BHJ层传输到银电极的过程中建立欧姆接触[36-38]

图2b和2d是最优化的集成钙钛矿/BHJ电池和以小分子或窄带隙聚合物作为HTL的单结钙钛矿电池在单色光照射下的EQE曲线。不同HTL材料和基于玻璃/TiO2/钙钛矿结构的相应BHJ薄膜的UV-vis-NIR谱图也用作对比,小分子和聚合物都有很强的吸光能力,说明它可能对光吸收有额外的贡献[19,33]。如图2b所示,以DOR3T-TBDT作HTL的单结电池和集成电池在300nm到800nm处均有光响应,与钙钛矿薄膜在UV-vis-NIR图谱中所显示的特征吸收带一致。单结电池在520nm到740nm处有一个v形的低谷,可能是因为DOR3T-TBDTHTL对光有过滤作用。而集成电池在520nm到740nm范围内曲线平滑,没有v形低谷,说明DOR3T-TBDT:PC71BM BHJ薄膜对光的有效响应使光电流增加。图2d为玻璃/TiO2/钙钛矿基底上的PBDTT-SeDPP膜或PBDTT-SeDPP:PC71BM混合膜的UV-vis-NIR光谱。除了钙钛矿的特征吸收带之外,由于PBDTT-SeDPP的光吸收作用,集成电池的吸收带进一步拓展到900nm。同时我们用聚合物做HTL的单结钙钛矿太阳能电池作为对照。如图2d所示,虽然在近红外区有相似的吸收带,但以PBDTT-SeDPP作HTL的光伏电池最初在800nm处的EQE曲线显示与CH3NH3PbI3minus;XClX的禁带宽度一致,说明窄带隙聚合物的HTL没有促进光电流的产生。与此同时,将窄带隙聚合物用作BHJ薄膜的给体,所得到的集成电池在500nm到800nm处光响应逐渐增强,EQE响应达到900nm,这证实了聚合物BHJ薄膜能有效吸光并使JSC增大。

为了进一步调查BHJ在集成电池中对光电流的作用,我们对光伏电池实行了光响应处理。用矩形脉冲光照射光伏电池,图3 显示了不同HTL和集成钙钛矿/BHJ电池的响

剩余内容已隐藏,支付完成后下载完整资料


英语原文共 7 页,剩余内容已隐藏,支付完成后下载完整资料


资料编号:[138293],资料为PDF文档或Word文档,PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏,您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容!立即支付

以上是毕业论文外文翻译,课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。