过氧化氢改性纳米氧化镍空穴传输层，倒置钙钛矿光伏模组性能大幅提升
过氧化氢改性纳米氧化镍空穴传输层，倒置钙钛矿光伏模组性能大幅提升
钙钛矿半导体材料具有优异的光电性能，近年来备受关注。然而，钙钛矿光伏组件常用的空穴传输层材料存在稳定性差、能级不匹配等问题，限制了器件性能的提升。中国科学院游经碧教授团队通过过氧化氢修饰氧化镍纳米颗粒，制备出更小、更均匀的空穴传输层，显著提升了钙钛矿光伏组件的光电转换效率和稳定性。
图1 图文摘要
钙钛矿半导体材料具有带隙可调、成本低、高缺陷容忍度等突出优点，在光电器件领域不断刷新人们认知。然而，目前常用的空穴传输层（HTL）材料存在酸性高、吸湿性强等不利于改善器件稳定性的问题，且这类材料常与钙钛矿吸光层的能级存在失配，这限制了光伏器件性能的进一步提升。过渡金属氧化物如NiOx和自组装单分子层（SAMs）是HTL的常用材料。然而，过渡金属氧化物非常容易团聚，所制备的HTL粗糙度通常较高。SAMs也存在温度稳定性差、锚定不均匀和不稳定的问题。
中国科学院游经碧教授团队尝试在NiOx上旋涂SAMs（[4-(3,6二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]磷酸，Me-4PACz），制备了双层复合空穴传输层。由于NiOx相较于透明电极FTO能形成更多的表面羟基，并与SAMs形成更为稳固的表面锚定作用，使得SAM在衬底表面的覆盖率也得到了提升。通过结合NiOx和SAMs，有效增强了空穴提取效率，减小了界面复合，据此所制备的钙钛矿光伏组件的光电转换效率（PCE）和填充因子分别提升至24.1%和81.1%，二极管理想因子下降至1.5。
但是，上述工艺制备的NiOx纳米粒子薄层表面仍较为粗糙，不利于进一步提升器件性能，该团队还巧妙地将过氧化氢引入到NiOx前驱体溶液中，来抑制NiOx纳米粒子聚集，使其尺寸从10 nm减小到5 nm左右。紫外光电子能谱测试结果还表明改性后NiOx层中Ni3+的比例增大，有利于形成高导电性且稳定的NiOOH，从而进一步提升空穴提取效率；同时，修饰后的NiOx为其上的SAMs薄层提供了更多的表面羟基，提升了SAMs在NiOx上的覆盖率和亲水性。此外，由此所获得的NiOx薄膜更为致密和均匀，使得钙钛矿光伏器件PCE进一步提升至25.6%，小模组（14.65 cm2）的PCE达到21%。特别值得一提的是器件稳定性大幅提升，在50 °C下连续工作1000小时后，PCE仍有初始值的85.4%；在85 °C下连续工作500小时后，PCE仍有初始值的85.1%。
空穴传输层是高性能钙钛矿光伏组件不可忽视的一环，我国科学家团队开发了基于NiOx纳米颗粒空穴传输层的改性策略，使用过氧化氢修饰前驱体溶液可以有效改善NiOx纳米颗粒的分散性，由此制备的致密空穴传输层可诱导自组装单分子层形成更致密、亲水的表面，增强了空穴提取效率，同时还减小了界面复合，从而大幅提升光伏模组的光电转换效率和稳定性。这些策略为复合空穴传输层的开发提供了重要思路，可拓展到其他金属纳米粒子功能薄膜的开发中，为高效、稳定的大面积钙钛矿太阳能电池的商业应用提供了一条易于实现的途径，也有望应用到其他光电器件的开发中。
本文原文来自The Innovation