注册 English

反式钙钛矿太阳能电池研究进展

杨英 ,  朱从潭 ,  林飞宇 ,  陈甜 ,  潘德群 ,  郭学益

downloadPDF
引用本文: 杨英, 朱从潭, 林飞宇, 陈甜, 潘德群, 郭学益. 反式钙钛矿太阳能电池研究进展[J]. 化学学报, 2019, 77(10): 964-976. doi: 10.6023/A19040143 shu
Citation:  Yang Ying, Zhu Congtan, Lin Feiyu, Chen Tian, Pan Dequn, Guo Xueyi. Research Progress of Inverted Perovskite Solar Cells[J]. Acta Chimica Sinica, 2019, 77(10): 964-976. doi: 10.6023/A19040143 shu

反式钙钛矿太阳能电池研究进展

  • a.

    中南大学 冶金与环境学院 长沙 410083

  • b.

    有色金属资源循环利用湖南省重点实验室 长沙 410083

  • c.

    有色金属资源循环利用湖南省工程研究中心 长沙 410083

    • 作者简介: 杨英, 副教授, 武汉大学博士毕业.长期从事材料物理化学及新能源材料与器件的科研工作, 对固态高分子电解质以及固态染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池及钙钛矿太阳能电池有夯实的理论和实践基础.于2013~2014年间在美国怀俄明大学完成博士后研究工作.现工作于中南大学冶金与环境学院.主要研究方向:新能源材料与器件;




    郭学益, 教授, 1995于中南大学获得博士学位.1997年完成博士后研究工作, 1999~2000年在日本佐贺大学理工学部机能物质化学科担任研究员, 2000~2003年在日本东京大学国际产学共同研究中心担任客员教授.现工作于中南大学冶金与环境学院.主要研究方向:资源循环利用及环境材料;
    通讯作者: 郭学益, E-mail: xyguo@csu.edu.cn; Tel.: 0731-88877863
  • 基金项目:

    项目受国家自然科学基金（No.61774169）、留学回国基金、湖南省自然科学基金（No.2016JJ3140）和中南大学本科生创新项目（Nos.ZY20180866，202321009）资助

摘要: 反式结构的钙钛矿太阳能电池由于其稳定性好、迟滞效应低等优点越来越受到人们的关注.自2013年出现以来，其光电转换效率从最初3.9%快速提升至21.5%.然而，反式钙钛矿太阳能电池的光电转化效率相比于传统正置结构钙钛矿太阳能电池依然存在差距，同时其柔性及空气稳定性和大面积制备技术的开发仍是当前急需亟待解决的难题.本文就反式钙钛矿太阳能电池载流子传输材料的选择、界面优化及柔性器件的发展等方面进行了系统的综述，试图总结由结构和材料优化实现反式钙钛矿太阳能电池的高效率、高稳定性、大面积及柔性制备的普遍规律.

English

  • 1.   引言

    传统正置结构的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池主要由光阳极(如TiO2+ABX3 (A＝CH3NH3(MA), B＝Pb, X＝I－, Br－, Cl－钙钛矿吸光材料)、空穴传输层(HTM)以及对电极组成, 自2009年发展至今, 其光电转化效率已从3.8%[1]发展到24.2%[2].该类钙钛矿太阳能电池光电转化效率现已接近非晶硅太阳能电池, 但其迟滞效应明显, 器件稳定性有待改善; 同时正置结构基于高温烧结的多孔氧化物光阳极的结构难以适应低温柔性器件的发展需求, 因此, 如何大幅改善传统正置结构钙钛矿太阳能电池迟滞效应、稳定性及柔性器件低温制备技术是该领域的研究难点.我们课题组前期对钙钛矿太阳能电池的界面电荷复合进行改善, 采用硫化铅量子点增强了钙钛矿材料在330~1400 nm波长范围内的光吸收, 减少了二氧化钛对CH3NH3PbI3薄膜的分解损害, 并促进钙钛矿活性层的载流子扩散.使得钙钛矿材料内部晶界及界面处的非辐射复合减小, 同时, 改性后的钙钛矿太阳能电池的稳定性也得到了改善[3].

    反式钙钛矿太阳能电池是由空穴传输层/钙钛矿吸光层(MAPbX3 (X＝I－, Br－, Cl－))/电子传输层/对电极组成.相比于正置结构, 反式结构具有可忽略的迟滞效应, 同时可低温制备柔性器件, 界面稳定性良好, 普遍高于正置结构钙钛矿太阳能电池[4].同时, 在反式结构中, 钙钛矿材料界面有相对于正置结构更低的陷阱态密度, 使得电荷传输更顺畅[5, 6]. 2013年, Chen等[7]采用低温溶液法以PEDOT:PSS(聚3, 4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐)为空穴传输层, C60(富勒烯)为电子传输层制备了反式钙钛矿太阳能电池, 器件无迟滞效应, 光电转化效率为3.9%.该研究为钙钛矿太阳能电池的研究提供了一种新的思路. 2014年, Sun等[8]在反式钙钛矿太阳能电池中应用PCBM(C60的富勒烯衍生物)作电子传输层, 成功制备光电转化效率为15.9%的器件, 并实现了大面积(1 cm2)器件的制备, 光电转化效率为12.3%.随后, Wang等[9]以NiO作为p型材料, 制备了第一个介观NiO/钙钛矿/PC61BM反式钙钛矿太阳能电池, 器件光电转化效率为9.51%.通过对NiO空穴传输层进行Cu、Ag等元素的掺杂改性[10~13], 基于NiO空穴传输层的反式钙钛矿太阳能电池最高的光电转化效率已达到19.7%[14]. Liu等[15]采用n型聚合物材料聚(9, 9-二辛基芴)-2, 7-二基-alt-(4, 7-双(3-己基噻吩-5-基)-2, 1, 3-苯并噻二唑)-2′, 2′′-二基](F8TBT)对[6, 6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)进行掺杂, 其光电转化效率达到20.6%. Zhu等[16]报道了一种反式器件中利用溶液处理钙钛矿薄膜并通过溴化胍辅助使其二次生长的技术, 以减少其晶界和界面处的非辐射复合, Voc增加高达100 mV, 在ITO/PTAA/(FA0.95- PbI2.95)0.85(MAPbBr3)0.15/PC61BM/C60/BCP/Cu器件结构中, 光电转化效率达到21.5%. 图 1为几种典型的反式钙钛矿太阳能电池结构及光电性能发展历程图.

    图 1

    图 1.  典型反式钙钛矿太阳能电池结构及光电性能发展历程图[7, 8, 13~21]
    Figure 1.  Structure and photoelectric performance of typical inverted perovskite solar cells[7, 8, 13~21]
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    尽管反式钙钛矿太阳能电池效率发展迅速, 稳定性相比于正置结构器件有很大改善, 但依然存在以下问题有待解决, 如:反式器件光电性能相比正置器件还有待提高; 其稳定性离商业化程度依然存在差距; 柔性器件进一步优化策略; 以及设计低成本电子及空穴传输层材料以降低成本.

    本文将从近年来反式钙钛矿太阳能电池在材料选择、界面调控及光电性能优化等方面进行综述, 将系统介绍该类器件空穴传输层、电子传输层组成及界面的调控方法, 柔性器件及迟滞效应优化的策略.

    2.   反式钙钛矿太阳能电池结构和工作机理

    反式钙钛矿太阳能电池(图 2a)典型的组成为(光阳极)Anode/空穴传输层(HTL)/钙钛矿活性层/电子传输层(ETL)/对电极, 其工作原理为: (1)在光照下, 钙钛矿活性层吸收光子而产生电子-空穴对, 在界面处分离成自由电子和空穴; (2)分离的空穴通过空穴传输层的价带传输至ITO, 电子跃迁到电子传输层的导带进行传输至对电极; (3)电子经过电子传输层被阴极收集, 空穴经过空穴传输层被阳极收集, 在回路中产生光生电流(图 2b).这个过程中会有一些副反应的产生, 如钙钛矿导带的电子会与钙钛矿价带空穴以及空穴传输层中的空穴复合, 如图 2b过程(3), (6);另外, 传输到半导体导带中的电子并不能完全地传输到外电路中, 会有一部分电子返回与钙钛矿价带和空穴传输层中的空穴复合, 如图 2b过程(5), (7)[22, 23].

    图 2

    图 2.  (a) 反式钙钛矿太阳能电池典型结构; (b) PEDOT:PSS/钙钛矿/PCBM能级和电子转移示意图[22]
    Figure 2.  (a) Typical structure of inverted perovskite solar cells; (b) PEDOT:PSS/perovskite/PCBM level and electron transfer schematic[22]
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    3.   材料及界面的调控

    3.1   空穴传输材料

    空穴传输材料(HTM)在钙钛矿太阳能电池中主要作用是加速光生电子空穴对中空穴的分离[22]. 图 3列出了常用于反式钙钛矿太阳能电池中的空穴传输层材料相关的能带信息, 包括:导电聚合物(如PEDOT:PSS、PTAA等)以及无机p型半导体(如NiOx、Cu2O、CuSCN、V2O5和MoO3以及氧化石墨烯).

    图 3

    图 3.  反式钙钛矿太阳能电池中不同空穴传输材料的能级, 包括有机导电聚合物或高分子(左)和无机p型半导体材料(右)[23]
    Figure 3.  Energy levels of different hole transport materials in inverted perovskite solar cells, including organic conductive polymers or macromolecule (left) and inorganic p-type semiconductor materials (right)[23]
    下载: 全尺寸图片 幻灯片
    3.1.1   导电聚合物

    导电聚合物作为替代无机半导体及金属对电极的一类重要材料, 在有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池中得到广泛应用[24~26].我们课题组前期工作系统研究了透明p型导电聚合物及其在光伏器件中的应用[27~29], 采用电化学合成的方法一步合成p型透明聚(乙烯基吡咯烷酮)(PVP)/聚苯胺(PANI)纳米复合材料, 用PANI包裹的PVP在聚合过程中充当有效的空间稳定剂.此外, PANI透明对电极中PVP的存在促进了对电极和电解质界面处活性反应位点的产生, 并进一步减少了电子复合, 得到稳定性良好的双面进光太阳能电池[27].随后, 又通过黑磷量子点(BPQD)[28]、氧化石墨烯[29]等材料对p型导电聚合物材料进行修饰, 改善其电化学性能及吸光性能.目前, 常用于反式钙钛矿太阳能电池中空穴传输材料的p型有机半导体为PTAA和PEDOT:PSS等, 而PANI因其结构中的电活性, 经掺杂可形成p型和n型导电态, 在质子酸掺杂或电氧化可使其电导率提高十几个数量级, 达到与PTAA和PEDOT:PSS相媲美的程度, 在反式钙钛矿和双面进光太阳能电池中有很好的应用前景[30].反式钙钛矿太阳能电池中常用的p型导电聚合物主要为聚3, 4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、聚噻吩(PT)、以及聚[双(4-苯基)(2, 5, 6-三甲基苯基)胺](PTAA)等, 以下将分别总结各类聚合物体系在反式钙钛矿太阳能电池中的应用.

    1) PEDOT:PSS

    PEDOT:PSS由于其优良的导电性、高透光率及与钙钛矿材料良好的能级匹配以及低温退火工艺与柔性光伏器件的兼容性等优点, 被广泛用作反式钙钛矿太阳能电池中的空穴传输材料.

    2013年, Chen等[7]首次报道了以PEDOT:PSS为空穴传输层的反式结构钙钛矿太阳能电池, 其结构为ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/C60/BCP/Al, 光电转化效率3.9%.随后, Jen等[31]通过在钙钛矿前驱液中加入添加剂, ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3-xClx/PCBM/Bis-C60/ Ag反式器件获得11.8%的光电转化效率. Heo等[18]在ITO/PEDOT:PSS/MAPbI3/PCBM/Au结构中通过一步旋涂法在PEDOT:PSS/ITO基板上沉积致密的无针孔MAPBI3钙钛矿, 其光电转化效率达到18.2%, 是目前为止PEDOT:PSS无掺杂、界面修饰的最高效率(图 4a).单纯的PEDOT:PSS聚合物在器件光电性能方面表现出良好的应用潜力, 但依然存在PEDOT:PSS/钙钛矿界面空穴分离及传输率低、PEDOT:PSS酸性腐蚀以及易被钙钛矿前驱体溶液溶解等问题[32, 33].因此, 研究人员通过对PEDOT:PSS掺杂复合、界面修饰等方法来改善以上问题, 以得到高效率、高稳定性的反式钙钛矿太阳能电池.

    图 4

    图 4.  反式钙钛矿太阳能电池中PEDOT:PSS作空穴传输层的器件结构、材料能级和器件光电转化效率示意图; (a) PEDOT:PSS作为空穴传输层无掺杂修饰[18]; (b) NaCl掺杂PEDOT:PSS作为空穴传输层[38]; (c) MoO3对PEDOT:PSS的界面修饰[44]
    Figure 4.  Schematic diagram of device structure, material level and device photoelectric conversion efficiency of PEDOT:PSS as a hole transport layer in trans-perovskite solar cells; (a) PEDOT:PSS as a hole transport layer without modification[18]; (b) NaCl Doped PEDOT:PSS as hole transport layer[38]; (c) Interface modification of PEDOT:PSS by MoO3[44]
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    (1) PEDOT:PSS的复合掺杂

    单纯的PEDOT:PSS与掺杂后的器件相比, 其Voc值通常低10%~25%[31, 32].研究者们通过探索以下几个方面以提高其Voc和FF: (1)改善空穴传输材料功函数与MAPbI3价带顶更匹配; (2)通过一些纳米颗粒掺杂改性, 可以为钙钛矿晶体提供生长点, 使钙钛矿晶体颗粒更大, 减少晶界以降低晶界处的非辐射复合; (3)通过有机物或p型掺杂剂改性处理以提高其电导率.

    Lee等[32]在PEDOT:PSS基础上复合一种具有更高功函数的导电聚合物, 制备了一种自组装的PEDOT:PSS-PFI复合空穴传输层, 使得其与钙钛矿(MAPbI3)吸光层形成良好的能级匹配, 获得非柔性和柔性PEDOT:PSS-PFI/CH3NH3PbI3/PCBM/Al器件光电转化效率分别为11.7%和8.0%. Liao等[34, 35]通过GeO2和Ag纳米颗粒掺杂PEDOT:PSS, 分别制备了PEDOT:PSS-GeO2或PEDOT:PSS-AgNPS复合材料.这些改性的PEDOT:PSS复合材料功函数与钙钛矿价带顶更匹配, 有效地提高了界面空穴的分离及传输, 器件开路电压得到明显的提高; 同时PEDOT:PSS-GeO2和PEDOT:PSS-AgNPS膜上岛状颗粒的存在为钙钛矿晶体的生长提供了成核生长点, 能诱导钙钛矿晶体颗粒长大并形成均匀薄膜, 基于PEDOT:PSS-GeO2和PEDOT:PSS-AgNPS的器件光电转化效率分别为15.15%和15.75%. Song[36]和Taylor等[37]分别报道了二甲基亚砜DMSO修饰的PEDOT:PSS, 以促进PEDOT:PSS上钙钛矿薄膜晶粒的增长及结晶性的改善, 器件ITO/PEDOT:PSS:DMSO/CH3NH3PbI3/PCBM/BCP/Ag的光电转化效率为16.7%. Sun等[38]通过NaCl掺杂PEDOT:PSS作为空穴传输层, 制备了FF高达81.9%, 光电转化效率为17.1%的反式器件(图 4b), 其FF显著提高的原因在于NaCl能诱导钙钛矿多晶薄膜的均一生长来改善器件的光电性能. Liu等[39]研究了p型掺杂剂(F4-TCNQ)对PEDOT:PSS的改性及其相应器件光电性能的影响, 在低浓度掺杂下可以有效地调节PEDOT:PSS膜的电学性质, 获得光电转化效率为17.22%的反式器件. Choi等[40]将GO掺杂在PEDOT:PSS溶液中旋涂在PEDOT:PSS表面, 形成了PEDOT:PSS-PEDOT:GO复合薄膜, 和单纯PEDOT:PSS相比, PEDOT:GO有更高的电导率和功函数, 器件光电转化效率达到18.1%.

    (2) PEDOT:PSS的界面修饰

    PEDOT:PSS易于吸湿, 易于被钙钛矿前驱体溶液溶解, 同时由于其本身的酸性会对FTO基底造成腐蚀, 对反式钙钛矿太阳能电池的稳定性产生不利的影响.通过在PEDOT:PSS/导电玻璃及PEDOT:PSS/钙钛矿界面进行修饰以改善整体器件性能.其作用主要表现为: (1)改善对钙钛矿前驱液的溶解及对基底的腐蚀; (2)阻挡界面处水氧对钙钛矿薄膜的分解; (3)制备双层空穴传输层器件, 有效弥补其中一种材料的缺陷, 以改善钙钛矿薄膜成膜质量及提高空穴传输层/钙钛矿界面的电荷传输; (4)额外的空穴传输材料沉积在PEDOT:PSS层上时, 它将与钙钛矿层形成直接接触, 其相对于PEDOT:PSS有更高的LUMO可以有效地阻挡电子回传以抑制电子-空穴复合, 从而降低漏电流, 改善器件性能.

    Yoon等[41]将单壁碳纳米管(SWNT)滴注在ITO/玻璃基底上, 部分垂直于基片生长, 然后旋涂PEDOT:PSS以覆盖单壁碳纳米管改善PEDOT:PSS对导电玻璃基底的腐蚀, 基于SWNTs/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PCBM/ Ag的器件光电转化效率为12.5%. Chen等[42]将氧化石墨烯(GO)溶液旋涂到PEDOT:PSS表面进行界面修饰, GO薄膜修饰有效改善了钙钛矿的结晶性能同时阻挡了界面水分对钙钛矿的分解, 器件的光电转化效率为15.34%, 在空气环境下39 d后器件光电转化效率保持在初始值的83.5%.

    通过采用另外一种空穴传输材料来修饰原有空穴传输层界面, 制备具有双层空穴传输层的器件, 能有效弥补其中一种材料的缺陷, 对改善钙钛矿薄膜成膜质量以及提高空穴传输层/钙钛矿界面的电荷传输具有一定作用.在反式钙钛矿中, 大多数双层空穴传输层的组合都包含PEDOT:PSS, 例如PEDOT:PSS/Poly-TPD[17]、PEDOT:PSS/交联量子点(X-QUPD)[43]、PEDOT:PSS/交联量子点(X-OTPD)等[43]. Henk等[17]采用双层空穴传输层器件PEDOT:PSS/poly-TPD/MAPbI3/PCBM/Au获得了12.04%的光电转化效率. Choi等[44]制备了具有ITO/MoO3/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/C60/BCP/LiF/Al结构的反式器件, 光电转化效率达到18.8%.在ITO和PEDOT之间插入薄的MoO3层来提高界面空穴分离及传输, 同时阻挡了酸性PEDOT:PSS对ITO的腐蚀作用和对钙钛矿的分解作用(图 4c).

    2) PTAA

    反式钙钛矿太阳能电池的Voc不太理想主要归因于钙钛矿本体材料内部和界面接触的非辐射复合损失[45].而PTAA是一类π-共轭聚合物, 其非平面分子结构是无定形的, PTAA均匀和光滑的薄膜具有良好的各向同性载流子传输性能, 并且在退火时没有微观结构排序, 这可以降低界面处的非辐射复合损失, 其疏水性能也有利于改善光伏器件的稳定性[46].

    Serpetzoglou等[47]研究了亲水PEDOT:PSS和疏水PTAA两种聚合物空穴传输材料的基础光电转换效率, 其分别为12.60%和15.67%, PTAA表现出更好的光电性能主要归因于HTL表面的粗糙度降低, 而小部分可归因于HTL润湿性. Huang等[33]系统研究了聚乙烯醇(PVA)、PEDOT:PSS、c-OTPD、PTAA和PCDTBT等聚合物疏水性能及钙钛矿颗粒生长机理.结果表明, 在基于PTAA的空穴传输层上可获得体积小、表面陷阱少、载流子迁移率高的优质钙钛矿多晶薄膜, 器件结构为ITO/PTAA/MAPbI3/PCBM/C60/BCP/Al的光电转化效率可达18.1%.随后, 他们又通过氩等离子体、表面活性剂和磺酸两性离子[3-(癸基二甲基氨基)-丙烷-磺酸盐内盐(DPSI)]等[21, 48, 49]改善钙钛矿薄膜晶界和界面处的非辐射复合, 以达到调节钙钛矿结晶、钝化缺陷和抑制电荷复合的目的, 并在以PTAA为空穴传输材料的反式钙钛矿结构器件中小面积光电转化效率都超过20%, 大面积(＞1 cm2)光电转化效率也超过了15%. Zhu等[16]报告了一种反式器件中利用溶液处理钙钛矿薄膜并通过溴化胍辅助使其二次生长的技术, 以减少其晶界和界面处的非辐射复合, Voc增加高达100 mV, 在ITO/PTAA/ (FA0.95PbI2.95)0.85(MAPbBr3)0.15/PC61BM/C60/BCP/Cu器件结构中, 光电转化效率达到21.5%.

    (1) PTAA的复合掺杂

    PTAA作为聚合物有机半导体, 同样存在导电性能差的问题, 有必要寻找优异的p型掺杂材料或者更简单有效的处理手段, 对PTAA空穴传输性能进行改性.

    Huang等[50]通过F4-TCNQ对PTAA进行掺杂, 在保持其粗糙度的同时, 降低器件串联电阻, 基于ITO/PTAA:F4-TCNQ/MAPbI3/PCBM/C60/BCP/Al反式结构的器件效率提升到17.5%.但F4-TCNQ也存在较差的溶解性且价格比较昂贵的问题.

    (2) PTAA的界面修饰

    PTAA较差的导电性不仅存在于钙钛矿/HTM界面, 也存在于HTM/ITO界面. Han等[51]利用还原氧化石墨烯(rGO)的稳定性, 使PTAA基底上旋涂的钙钛矿薄膜缺陷态密度更低, 在ITO/rGO/PTAA/MAPbI3/PCBM/BCP/ Ag的结构中, 柔性和刚性反式钙钛矿太阳能电池的光电转化效率分别为15.7%和17.2%(面积为1.02 cm2), 并且在光照500 h后保持其原始效率的约90%.

    3) 其他聚合物

    除了PEDOT:PSS体系, 其他聚合物如聚噻吩(PT)、Poly-TPD等也被用作反式钙钛矿太阳能电池的空穴传输层. Yan等[52]利用电化学原位聚合法在ITO表面沉积聚噻吩(PT)薄膜作为空穴传输层, 制备了ITO/PT/CH3NH3PbI3/C60/BCP/Ag结构的反式钙钛矿太阳能电池, 光电转化效率达到15.4%.其用电化学聚合进一步制备了导电PPP和具有更高功函数的聚(4, 4′-双(N-咔唑基)-1, 1′-联苯)(PPN)[53], Voc达到1.05 V, 器件PPP或PPN/MAPbI3/PCBM/C60/BCP/Ag光电转化效率为16.7%. Guo等[54]通过退火或辐照原位聚合VB-DAAF单体形成空穴传输材料, 器件结构为VB-DAFF/MAPbI3/ PCBM/C60/BCP/Al, 光电转化效率为15.2%.

    许多研究探索了具有较高LUMO能级的p型导电聚合物作为空穴传输层, 既可以有效分离空穴, 又具有特定的表面性质以帮助钙钛矿晶体生长.

    Franky等[55]采用polyTPD作为HTM, 其HOMO为－5.4 eV, LUMO为－2.4 eV, polyTPD表面的CH3NH3- PbI3薄膜可以形成较大的晶粒和较小的晶界缺陷, 器件Poly-TPD/MAPbI3/PCBM/C60/BCP/Ag的光电转化效率为15.3%. Choi等[56]采用了CPE-K作为钙钛矿层的空穴传输层, 研究发现, CPE-K/钙钛矿比PEDOT:PSS/钙钛矿具有更好的稳定性, 器件CPE-K/MAPbI3/PCBM/Al光电转化效率为12.5%. Fang等[57]探索了一种新型的P3CT-Na水溶性空穴传输材料, 其HOMO为－5.26 eV, P3CT-Na的柱状结构可以作为钙钛矿活性层生长的支架, 除了有助于改善钙钛矿薄膜的结晶性能外, 还有利于空穴分离传输, 器件P3CT-Na/MAPbI3/PCBM/C60/Al的光电转化效率为16.6%.在此基础上, Yao等[20]采用P3CT-K作为空穴传输材料, 在P3CT-K/MAPbI3/ PC61BM:SnO2/Al结构中, 器件光电转化效率达到19.7%.

    3.1.2   无机p型半导体

    和导电聚合物相比, 在反式钙钛矿太阳能电池中, 无机p型半导体的研究更为广泛, 而且稳定性更好.目前, 无机p型半导体主要有NiOx、CuX (X＝SCN、I、O1/2)、V2O5以及氧化石墨烯等.

    1) NiOx

    在无机p型半导体中, NiO是目前研究的热点. NiO是一种立方宽带隙p型半导体, 通常表现三价镍(III)和四价镍(IV)氧化后的混合物(即NiOx), 具有高透射率, 3.5~3.9 eV的禁带宽度.以下就NiOx材料制备方法的优化以及掺杂改性策略来总结其对反式钙钛矿太阳能电池光电性能的影响.

    (1) NiOx制备方法优化

    NiOx制备方法主要有脉冲激光沉积(PLD)、磁控溅射、溶胶-凝胶、金属有机化学气相沉积、喷雾热解、分子束外延、化学燃烧和溶液法等[58].其薄膜优化的方面主要为: (1)制备超薄的NiOx致密层, 提高其上钙钛矿薄膜表面覆盖度, 降低钙钛矿薄膜表面缺陷态密度; (2)制备超薄致密的NiOx致密, 在致密层与钙钛矿之间插入介孔NiOx薄膜或Al2O3薄膜作为钙钛矿生长支架, 以促进钙钛矿晶体更好的生长, 同时起到选择性接触的作用, 有助于NiOnc/钙钛矿界面的空穴传输; (3)制备具有优异光学透明性的有序纳米NiOx薄膜, 使光学损失最小化.

    2013年, Snaith等[59]首次将NiOx应用于钙钛矿太阳能电池中, 通过煅烧四水醋酸镍和一乙醇胺的前体膜制备了NiOx膜, 器件FTO/NiOx/CH3NH3PbI3-xClx/PCBM/ TiOx/Al光电转化效率小于1%, 原因是在FTO/NiOx基底上形成的钙钛矿膜表面覆盖率低.随后, Chen等[8]通过溅射法制备NiOx致密层, 并在致密层与钙钛矿之间插入了一层介观NiOx薄膜作为钙钛矿生长支架, 在其上形成了更好的钙钛矿形态, 同时起到选择性接触的作用, 有助于NiOnc/钙钛矿界面的空穴传输, 反式器件光电转化效率提高到11.6%. Han等[60]采用简易喷雾热解法制备了超薄致密NiOx薄膜, 用高透明Al2O3作为阻挡层代替绿色中孔NiOnc可以使光学损失最小化, 光电转化效率提升至13%. Wang等[61]采用磁控溅射法在低沉积温度和高沉积速率下制备了NiOx致密层, 器件NiOx/MAPbI3/PCBM/BCP/Au的光电转化效率为9.84%, 比常规喷雾热解制备的NiOx器件的效率高约33%. Seok等[62]使用PLD方法制备了具有良好光学透明性的有序纳米NiOx薄膜, 基于PLD-NiOx/MAPbI3/PCBM/LiF/Al结构的器件光电转化效率达到17.3%. Yang等[63]通过溶胶-凝胶法制备了高度透明掺杂NiOx层, 其优异的光学透射率和良好的能级匹配使器件获得18.15%的光电转化效率, 比传统的溶胶-凝胶法制备的NiO基器件高12.98%. Hong等[19]采用共沉淀法制备p型纳米多孔氧化镍(np-NiOx)薄膜, 基于np-NiOx/(FAPbI3)0.85-(MAPbBr3)0.15/PCBM/ZnO/Ag结构的反式器件光电转化效率为19.1%, 其在160 d后仍能保持80%以上的效率.

    (2) NiOx的掺杂改性

    为提高NiOx空穴传输材料器件的光电性能, 对其进行元素掺杂是最为有效的途径之一.常见的掺杂元素为:碱金属(Li+、Cs4+)、碱土金属(Mg2+)和过渡金属(Y3+、Cu2+、Ag+).经掺杂后的NiOx薄膜优点在于: (1)更高的电导率, NiOx/钙钛矿界面电荷提取/传输更迅速, 有效降低了器件串联电阻; (2)其功函数与钙钛矿薄膜价带顶更接近, 具有更高的空穴迁移率; (3)NiOx薄膜光学透明度得到提高, 其上的钙钛矿薄膜具有更好的结晶度、覆盖率.

    Kim等[10]将掺铜NiOx作空穴传输层, 铜离子的掺杂使得NiOx导电率提高, 从而促进了NiOx/钙钛矿界面电荷提取更为迅速, 同时降低了器件的串联电阻, 从而使得Jsc和FF提高, 器件光电转换效率为15.40%. Zhao等[11]采用溶胶-凝胶法制备Y3+掺杂的NiO作为空穴传输层, 获得高空穴迁移率的NiO致密活性层, 改善了界面电荷的复合和传输, 器件光电转化效率为16.31%. Li等[12]报道了基于Ag+掺杂的NiOx(Ag:NiOx)的新型无机空穴传输层, 通过Ag+取代Ni位点(AgNi)可以提高NiOx薄膜的光学透明度, 功函数, 导电性以及空穴迁移率, 在Ag:NiOx上生长的CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜表现出更好的结晶度、覆盖率和更光滑的表面, 器件Ag:NiOx/MAPbI3/PCBM/BCP/Ag光电转化效率为16.4%. Han等[13]添加Mg2+和Li+对NiOx进行双元素掺杂, Li+的掺杂提高了NiOx的导电率, Mg2+掺杂补偿了由于Li+掺入晶格而引起的能带移动, 器件光电转化效率为18.3%, 大面积(＞1 cm2)器件效率也高达16.2%. Chen等[14]采用Cs4+掺杂的NiOx作空穴传输层, Cs4+的掺杂有效地提高了NiOx电导率, 同时获得更好的能级匹配, 获得光电转化效率高达19.3%的反式器件.

    2) CuX (X＝SCN, I, O1/2)

    Sarkar等[64]首次报道了CuSCN作为空穴传输层在反式钙钛矿太阳能电池中的应用, 其通过电化学沉积制备CuSCN薄膜, 器件光电转化效率为3.8%. Huang等[65]采用电化学沉积方法在ITO基板上制备出高质量、透明的CuSCN薄膜, 采用一步快速沉积结晶法在CuSCN层上制备CH3NH3PbI3薄膜, 该器件的平均光电转化效率为16.6%. Wang等[66]将热蒸发的铜膜暴露于碘蒸气中, 制备出均匀的CuI膜, 并将其作为反式钙钛矿太阳电池的空穴传输层, 在CuI/MAPbI3/PCBM/Au结构中获得了14.7%的光电转化效率.与CuSCN和CuI相比, p型Cu2O具有相对较窄的2.2 eV带隙, 功函数为－5.4 eV, 小尺寸的Cu2O晶体可以在ITO/玻璃基底上形成均匀的表面, 有利于形成高质量的CH3NH3PbI3层. Wu等[67]采用简易热氧化法制备Cu2O薄膜制备CuOx/MAPbI3/ PCBM/ZnO NPs/Al反式器件, 器件的光电性能对Cu2O层的厚度极其敏感, 在厚度为5 nm Cu2O薄膜条件下获得光电转化效率为11%. Chen等[68]采用溶液法制备CuOx薄膜作为反式钙钛矿太阳能电池的空穴传输层, 器件CuOx/MAPbI3/PCBM/ZnO-NPs/Al光电转化效率为17.4%.

    表 1

    表 1  反式钙钛矿太阳能电池中不同空穴传输层结构的性能参数
    Table 1.  Performance parameters of different hole transport layer structures in trans perovskite solar cells
    下载: 导出CSV
    HTL Structure Voc Jsc FF PCE/% Ref.
    Simple PEDOT:PSS PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/C60/BCP/Al 0.6 10.3 0.63 3.9 [7]
    PEDOT:PSS/MAPbI3-xClx/PCBM/Bis-C60/Ag 0.92 17.5 0.73 11.8 [31]
    PEDOT:PSS/MAPbI3/PCBM/Au 1.1 20.9 0.79 18.2 [18]
    PEDOT:PSS-Doping Modification PEDOT:PSS-PFI/MAPbI3/PC61BM/Al 0.98 16.7 0.70 11.7 [32]
    PEDOT:PSS-GeO2/MAPbI3-xClx/PCBM/Ag 0.95 20.4 0.72 13.8 [34]
    PEDOT:PSS-AgNPs /MAPbI3-xClx/PC61BM/Bphen/Ag 0.93 21.5 0.79 15.75 [35]
    PEDOT:PSS-DMSO/CH3NH3PbI3/PCBM/BCP/Ag 0.92 22.7 0.80 16.7 [37]
    P EDOT:PSS-NaCl/MAPbI3-xClx/PCBM/RhB101/LiF/Ag 1.08 21.1 0.80 18.2 [38]
    PEDOT:PSS-F4-TCNQ/MAPbI3/PC61BM/BCP/Ag 1.02 21.9 0.77 17.2 [39]
    PEDOT:PSS-PEDOT:GO/MAPbI3/PCBM/ZnO/Ag 1.02 21.5 0.82 18.1 [40]
    PEDOT:PSS/Interface Modification SWNTs/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PCBM/Ag 0.98 18.0 0.71 12.5 [41]
    PEDOT:PSS/GO/MAPbI3/PCBM/Ag 0.93 21.5 0.72 15.3 [42]
    PEDOT:PSS/poly-TPD/MAPbI3/PCBM/Au 1.05 16.1 0.67 12.04 [17]
    PEDOT:PSS/X-QUPD/MAPbI3-xClx/PC61BM/Al 0.99 18.1 0.73 13.06 [43]
    PEDOT:PSS/X-OTPD/MAPbI3-xClx/PC61BM/Al 0.95 17.3 0.66 10.87 [44]
    MoO3/PEDOT:PSS/MAPbI3/C60/BCP/LiF/Al 1.06 21.5 0.75 17.1 [45]
    Simple PTAA PTAA/MAPbI3/PCBM/PFN/Al 1.01 20.24 0.77 15.67 [47]
    PTAA/MAPbI3/PCBM/C60/BCP/Ag 1.07 22.0 0.77 18.1 [33]
    PTAA/MAPbI3/PC61BM/C60/BCP/Cu 1.11 22.5 0.82 20.4 [48]
    PTAA/MAPbI3/C60/BCP/Cu 1.12 22.4 0.81 20.3 [49]
    PTAA/FA0.85MA0.15Pb(I0.85Br0.15)3/PC61BM/C60/BCP/Cu 1.13 23.3 0.80 21.1 [21]
    PTAA/(FA0.95PbI2.95)0.85(MAPbBr3)0.15/PC61BM/C60/BCP/Cu 1.175 21.86 0.81 20.9 [16]
    PTAA-Doping Modification OR Interface Modification PTAA-F4TCNQ/MAPbI3/PCBM/C60/BCP/Al 1.09 21.6 0.74 17.5 [50]
    ITO/rGO/PTAA/MAPbI3/PCBM/BCP/Ag 1.09 20.3 0.777 17.2 [51]
    Other Polymers Ultrathin PT/MAPbI3/C60/BCP/Ag 0.99 20.3 0.77 15.4 [54]
    PPPorPPN/MAPbI3/PCBM/C60/BCP/Ag 1.02 21.7 0.75 16.7 [53]
    VB-DAFF/MAPbI3/PCBM/C60/BCP/Ag 1.02 18.9 0.78 15.2 [54]
    Poly-TPD/MAPbI3/PCBM/C60/BCP/Ag 1.00 22.0 0.70 15.3 [55]
    c-OTPD/MAPbI3/PCBM/C60/BCP/Ag 1.05 22.4 0.76 17.8 [33]
    CPE-K/MAPbI3/PCBM/Al 0.89 20.1 0.77 12.5 [56]
    P3CT-Na/MAPbI3/PCBM/C60/Al 1.07 21.1 0.73 16.6 [57]
    P3CT-K/MAPbI3/PC61BM:SnO2/Al 1.12 23.2 0.76 19.7 [19]
    NiOx NiOx/meso-NiOnc/MAPbI3/PCBM/BCP/Al 1.04 13.2 0.69 9.51 [9]
    NiO/Meso-Al2O3/MAPbI3/PCBM/BCP/Ag 1.04 18.0 0.72 13.5 [60]
    NiO/MAPbI3/PCBM/BCP/Au 1.10 15.7 0.59 9.84 [61]
    PLD-NiO/MAPbI3/PCBM/LiF/Al 1.06 20.2 0.81. 17.3 [62]
    SG-NiO/MAPbI3/PCBM/BCP/Ag 0.99 22.9 0.80 18.2 [63]
    np-NiOx/(FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15/PCBM/ZnO/Ag 1.08 22.8 0.78 19.1 [20]
    Metal Ion Doping NiO Cu-NiOx/MAPbI3-xClx/PCBM/Bis-C60/Ag 1.11 19.0 0.73 15.4 [10]
    Y-NiO/MAPbI3/PC61BM/Au 1.00 23.8 0.68 16.3 [11]
    Ag:NiO/MAPbI3 /PCBM/BCP/Ag 1.07 19.4 0.79 16.4 [12]
    NiMgLiO/MAPbI3/PCBM/Ti(Nb)Ox/Ag 1.08 20.4 0.83 18.3 [13]
    Cs:NiOx/MAPbI3/PCBM/Ag 1.12 21.8 0.79 19.3 [14]
    CuX CuSCN/MAPbI3-xClx/PCBM/Ag 0.68 — — 3.8 [64]
    CuSCN/MAPbI3/C60/BCP/Ag 1.00 21.9 0.76 16.6 [65]
    CuI/MAPbI3/PCBM/Au 1.04 20.9 0.68 14.7 [66]
    Cu2O/MAPbI3/PCBM/Au 0.95 17.5 0.66 11.0 [67]
    CuOx/MAPbI3/PCBM/ZnO NPs/Al 1.03 22.4 0.76 17.4 [68]
    V2O5 V2O5-PEDOT NBs/CH3NH3PbI3-xClx/Rhodamine101/LiF/Ag 1.05 13.6 0.59 8.4 [69]
    Graphene Oxide GO/MAPbI3-xClx/PCBM/ZnO/Al 1.00 17.5 0.71 12.4 [70]
    rGO/MAPbI3/PCBM/BCP/Ag 0.95 14.8 0.71 10.8 [71]

    CuSCN与CuI具有高导电性和稳定性.其采用电化学和热蒸发的方法, 为制备空穴传输层提供了新思路.此外, 还有CuI、Cu2O和CuOx等p型无机半导体材料, 与NiOx相比, 它们具有相对较窄的带隙(2~3 eV), 有利于防止空穴的反向传输引起的界面处空穴-电子复合.缺点是以CuX (X＝SCN、I、O1/2)作空穴传输材料, 对其薄膜质量、厚度和透明度等有较高要求.与其它空穴传输材料相比, 其Voc和FF相对较低, 原因主要是空穴传输层/钙钛矿界面处的电荷提取率低, 界面处的串联电阻较大.可以通过离子掺杂或界面修饰等方法改善其光电性能.

    3) V2O5

    V2O5具有窄带隙(2.0 eV)和深功函数(－5.2 eV). 2013年, Snaith等[59]在FTO/V2O5/CH3NH3PbI3-xClx/ PCBM/TiOx/Al结构中采用V2O5作为空穴传输层, 光电转化效率为小于1%. 2015年, Lu等[69]通过旋涂制备V2O5薄膜, 并制备出光电转化效率为5.1%的器件.此后, 他们制备出层状V2O5/PEDOT纳米线, 通过剥离形成超薄V2O5/PEDOT纳米带作为复合空穴传输层用于反式器件中, 光电转化效率达到8.4%.

    4) 氧化石墨烯

    氧化石墨烯功函数为－4.9 eV, 作为反式钙钛矿太阳能电池空穴传输层可有效改善钙钛矿的成膜性能. Sun等[70]首次将GO引入到ITO/GO/CH3NH3PbI3-xClx/ PCBM/ZiO/Al反式钙钛矿太阳能电池中, 器件光电转化效率为12.4%. Kim等[71]证明了通过功能化制备的rGO, 它的高导电性、透光性、稳定性和溶液加工性与－5.0 eV功函数相结合, 使其成为一种很好的空穴传输层材料, 基于ITO/rGO/CH3NH3PbI3/PCBM/BCP/Ag结构的反式器件光电转化效率为10.8%, 表现出良好的稳定性.

    空穴传输层已经被证明是反式平面PSC中钙钛矿和阳极之间必不可少的界面接触层.相对于无空穴传输层, 其对空穴的选择性传输提高了空穴传输层/钙钛矿界面处的空穴收集能力, 减少了电荷复合.许多有效的、低成本的、易于制造的HTM如PTAA, PPP等与钙钛矿材料或其前体溶液的润湿性有利于高质量钙钛矿薄膜的生长, 并且它们的柔软性使它们与柔性装置具有相当好的兼容性.对于无机p型半导体, 它们中的大多数被证明具有深功函数、高载流子迁移率、优异的透射率和稳定性.这些独特的优点可以提供具有非凡稳定性的高性能钙钛矿太阳能电池.

    3.2   钙钛矿活性层

    反式钙钛矿太阳能电池与正置结构钙钛矿太阳能电池对吸光层材料有着同样的结构和要求[72, 73].反式器件中用到的钙钛矿吸光材料满足ABX3结构(其中A为有机阳离子, 如CH3NH3+、NH2-CH＝NH2+、Cs+等; B为金属离子, 如Pb2+、Sn2+、Ge2+、Co2+、Fe2+、Mn2+、Cu2+、Ni2+、Bi3+等; X为卤素离子, 如Cl－、Br－、I－等), 如图 5a所示[74].常用的A位阳离子的主要作用为晶格电荷补偿, 它的尺寸大小会使晶格膨胀或收缩, 进而影响金属离子和卤素离子的键长. B位金属离子现性能最好的是Pb2+, 研究者们希望用其他环境友好的同族元素或过渡金属元素取代Pb[76].但Sn2+不稳定, 极易被氧化成Sn4+, 形成自掺杂, 导致钙钛矿薄膜性质的骤变, 器件的稳定性和效率不高[76, 77]; 而Ge2+和Bi2+取代Pb2+后, 由于载流子复合大等原因, 器件光电转换效率极低. X卤素原子的大小可以增加钙钛矿材料的晶格常数, 较常见的CH3NH3PbI3中掺杂Cl后, 载流子的扩散长度可从100 nm增加至1 μm[78], 同时能减少缺陷的生成. Kanatzidis等[79]研究了CH3NH3SnI3-xBr体系中, 卤族元素对于钙钛矿晶体带隙的影响, 当Br含量增加, 材料带隙变大, 导致材料吸收减少, 短路电流降低, 开路电压升高.通过控制卤素离子在钙钛矿材料中的比例, 可以得到一系列不同吸收带的钙钛矿材料(图 5b)以调控钙钛矿吸光材料的光吸收及载流子输运[80~82].

    图 5

    图 5.  (a) 钙钛矿材料ABX3晶体结构图[74]; (b)卤族元素掺杂比例对钙钛矿材料MAPb(I3-xBrx)光学性质的影响[79]
    Figure 5.  (a) Crystal structure of perovskite material ABX3[74]; (b) Effect of halogen element doping ratio on optical properties of perovskite material MAPb(I3-xBrx)[79]
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    3.3   电子传输材料

    在反式钙钛矿太阳能电池中, 钙钛矿/电子传输层界面的电荷分离和传输决定了整个器件光电性能的好坏.在反式器件大面积化及柔性器件发展趋势下, 电子传输层需满足以下要求: 1)满足钙钛矿/电子传输层以及电子传输层/对电极能级匹配, 以促进电子的分离传输; 2)高的电子迁移率以保证电子快速输运; 3)高的透明性以保证钙钛矿吸收足够的光; 4)低温可加工性, 以降低成本, 适应柔性器件的批量生产[68].常用于反式钙钛矿太阳能电池中电子传输材料包括:富勒烯(C60)及其衍生物及其他非富勒烯电子传输材料. 图 6给出了常用于反式钙钛矿太阳能电池中电子传输层材料的能级示意图.以下将就反式器件中常用的电子传输材料的设计及优化进行总结.

    图 6

    图 6.  反式钙钛矿太阳能电池中不同电子传输材料的能级, 包括富勒烯及其衍生物(左)和非富勒烯电子传输材料(右)[7, 83~87]
    Figure 6.  Energy levels of different electron transport materials in trans-perovskite solar cells, including fullerenes and their derivatives (left) and non-fullerene electron transport materials (right)[7, 83~87]
    下载: 全尺寸图片 幻灯片
    3.3.1   富勒烯衍生物PCBM

    富勒烯(C60)及其衍生物等因其具有合适的能级、高的电子传输能力及友好简单的成膜工艺成为反式钙钛矿太阳能电池中最常用的电子传输层材料. 2013年, Guo等[7]首次将PCBM和新型茚与C60双加成物(ICBA)应用到平面异质结太阳能电池中, 蒸镀不同厚度的富勒烯C60作电子传输层, 得到3%左右的器件效率. Yang等[88]对PC61BM电子传输层采用低温退火处理, 在PEDOT:PSS/MAPbI3-xClx/PC61BM/Al反式结构中获得了11.5%的光电转化效率. Chiang等[89]在空气气氛下两步旋涂法制备高质量钙钛矿薄膜, 并采用PC71BM代替PC61BM, 器件PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PC71BM/Al光电转化效率达到16.3%.为了获得更高的光电转化效率, 与金属电极形成良好的欧姆接触, 可以采用金、银等电导率更高的金属作对电极.例如, Kim等[18]在PEDOT:PSS/MAPbI3/PCBM/Au结构中采用金对电极, 获得了18.1%的光电转化效率; Chen等[14]在Cs:NiOx/MAPbI3/PCBM/Ag结构中获得19.3%的光电转化效率.

    1) PCBM界面修饰

    单纯的PCBM虽然有较高的电子传输能力, 但存在其它缺陷, 通过界面修饰可以改善这些缺陷.界面修饰的作用主要表现为: (1)强化电子传输能力, 加强电子传输层与金属电极之间的欧姆接触; (2)消除PCBM层的局部结构缺陷, 实现载流子快速迁移; (3)阻挡空穴的传输及阻挡钙钛矿材料中碘的析出以污染金属电极.

    Wen等[9]在反式钙钛矿器件中PCBM/Al界面插入一层浴铜灵(BCP)以改善其与对电极之间的接触, 在NiO/meso-NiO/MAPbI3/PCBM/BCP/Al结构中, 光电转化效率为9.5%.与BCP相比, C60与PCBM接触时对其光电性能改善效果更显著. Cui等[61]在PCBM/Al界面插入一层C60, 在P3CT-Na/MAPbI3/PCBM/C60/Al结构中, 光电转化效率为16.6%.在此基础上, Bi等[33]在PCBM/Ag界面插入C60和BCP, 在PTAA/MAPbI3/ PCBM/C60/BCP/Ag反式结构中, 器件效率达到了18.1%. Park等[62]在PCBM/Al界面蒸汽沉积一层LiF以改善电子传输性能, 加强电子传输层和金属电极之间欧姆接触, 在PLD-NiO/MAbI3/PCBM/LiF/Al反式结构中器件光电转化效率为17.3%. Snaith等[59]在PCBM/Al界面引入TiOx, 在PEDOT:PSS/MAPbI3-xClx/PC61BM/TiOx/ Al反式柔性器件中光电转化效率为9.8%.随后, Chen等[13]在PCBM/Al界面插入Ti(Nb)Ox电荷抽取层, 以实现载流子快速迁移, 同时可消除PCBM层的局部结构缺陷, 在NiMgLiO/MAPbI3/PCBM/Ti(Nb)Ox/Ag反式结构中器件效率达到了18.3%. Kim等[19]将PCBM/ZnO旋涂在(FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15钙钛矿表面, 制备的反式钙钛矿太阳能器件光电转化效率达到19.1%.

    2) PCBM掺杂改性

    通过一些n型掺杂剂或表面活性剂等对PCBM进行掺杂改性, 可有效地改善电荷传输和钙钛矿材料的生长.掺杂的主要作用可概括为以下两方面: (1)增加电导率, 改善电子传输性能, 降低串联电阻和钙钛矿表面粗糙度; (2)改善PCBM在钙钛矿层上的覆盖率, 降低钙钛矿/Ag界面处的电子-空穴复合.此外, 也可以进行离子掺杂, 在改善导电性的同时, 预防电子的反向传输引起的电子-空穴复合.

    Kuang等[90]将石墨烯(GD)掺入反式钙钛矿太阳能电池PCBM层(ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3-xClx/ PCBM:GD/C60/Al)改善电子传输, 并实现了14.8%光电转化效率. Xia等[91]采用表面活性剂油酰胺对PCBM电子传输层进行掺杂, 油酰胺掺杂改善了PCBM在钙钛矿层上的覆盖率, 并阻碍钙钛矿层/Ag界面处的电子-空穴复合, 基于ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3-xClx/PCBM: Oleamide/Ag结构的器件获得了12.69%的光电转化效率. Kymakis等[92]在PCBM中添加还原的氧化石墨烯(rGO), 提高了电子传输层的电导率, 同时降低其串联电阻和表面粗糙度, 基于PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/ PCB:rGO/Ag的器件获得了12.8%的光电转化效率. Bae等[93]采用n型掺杂剂1, 3-二甲基-2-苯基-2, 3-二氢-1H-苯并咪唑(DMBI)对PCBM进行掺杂, 可溶液加工的DMBI对PCBM的作用表现为增加电导率和降低功函数, 基于PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PCBM:DMBI/Ag的器件获得了12.5%的光电转化效率. Chen等[94]使用CoSe掺杂PCBM作为电子传输层, 将CoSe引入PCBM层改善了电子传输层的导电性并降低了光致发光强度, 从而增强了界面电子提取并降低了钙钛矿/ETM界面处的电子转移电阻, 基于NiO/CH3NH3PbI3/PCBM:CoSe/Ag的器件获得了12.5%的光电转化效率. Wang等[20]将PC61BM:SnO2电子传输层(ETL)应用于反式CH3NH3PbI3钙钛矿型太阳能电池中, 可得到19.7%的高功率转换效率.采用具有良好分散性的SnO2纳米晶填充PC61BM层的针孔并覆盖其上, 形成致密的PC61BM:SnO2层.同时, PC61BM减小了SnO2深能级本征缺陷引起的电子陷阱.因此, PC61BM:SnO2电子传输层可有效抑制PC61BM和SnO2层中由缺陷引起的电荷复合. Liu等[15]采用n型聚合物材料F8TBT对PCBM进行掺杂, 掺杂后在钙钛矿层上形成连续且覆盖度良好的薄膜, 基于PEDOT:PSS/MAPbI3/PCBM:F8TBT/Ag结构的器件光电转化效率达到20.6%.

    3.3.2   非富勒烯电子受体

    除了富勒烯类电子传输层, 非富勒烯类的电子传输层材料如有机小分子QCAPZ、CdS、TPE-PDI4等也被广泛研究. Zhang等[95]开发新型的n型有机小分子QCAPZ作为取代PCBM的电子传输层材料, 基于溶液工艺合成QCAPZ不需要额外的掺杂剂, 所制备的反式钙钛矿太阳能电池效率为10.26%.此外, 通过简单的溶剂热反应合成了分散硫化镉(CdS)纳米颗粒, 将其用作反式平面钙钛矿太阳能电池中的电子传输层, 可获得光电转化效率为13.36%反式器件[96].朱琳娜等[84]合成了具有优异电子迁移率和溶液可加工性的TPE-PDI4(图 7a)作为电子传输材料用在反式钙钛矿太阳能电池中, 相同条件下, TPE-PDI4的电子传输性能高于PCBM(图 7c), 同时, TPE-PDI4比PCBM具有更好的耐水性, 能更有效地保护钙钛矿层, 反式器件光电转化效率达到18.8%. Chen等[85]合成并表征了三种亚异丁烯二亚胺(X-PDI, 其中X＝H、F或Br), 用于反式钙钛矿太阳能电池中.其中Br-PDI表现出高的直流电导率和电子迁移率, 在采用溶液处理的氧化锌-NP阴极缓冲层(CBL)的情况下, 器件光电转化效率达到10.5%. Yang等[86]采用基于ITCPTC的π共轭小分子作为电子传输材料, 结果表明, ITCPTC-Th材料中的噻吩侧链使其具有更有好的电子运输性能, 采用ITCPTC-Th电子传输材料的反式器件的效率为17.11%.随后, 他们报道了三种具有调制能级的商业化n型非富勒烯小分子受体(IT-4X, X＝F/H/M), 其具有优异的疏水性能, 所有基于IT-4X ETL的反式钙钛矿太阳能电池在大气环境中都具有良好的长期稳定性[87].

    图 7

    图 7.  反式钙钛矿太阳能电池中电子传输材料的AFM图: (a) X-PDI4 (X＝H, F, Br)和(b) IT-X (X＝F, H, M)[85, 87]; (c)基于IT体系薄膜的水接触角[87]
    Figure 7.  Atomic Force Microscopy of Electron Transport Materials in Trans-Perovskite Solar Cells: (a) X-PDI4 (X＝H, F, Br) and (b) IT-X (X＝F, H, M)[85, 87]; (c) Water Contact Angle Based on IT System Films[87]
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    有机材料中的载流子传输距离一般小于10 nm[97], 而其均方根(RMS)粗糙度既可以表征电子传输层的覆盖度, 又可以通过其相分离的程度分析其载流子传输性.如图 7所示, 展示了PDI体系和IT体系的均方根(RMS)粗糙度(图 7a, 7b)以及水接触角(图 7c), PDI体系中Br-PDI的RMS小于10 nm, IT体系的RMS普遍在3~4 nm之间, 因此, IT体系的光电转化效率高于PDI体系约41%, 而且, 基于IT体系的薄膜表现出良好的疏水性(如图 7c).

    4.   柔性器件

    采用导电玻璃基底的钙钛矿光伏器件性能较好, 但成本高、易碎、不适合大面积生产.柔性光伏器件具有可挠性和产品轻量化特点, 使其成为可穿戴光伏产品(背包、衣帽等)理想选择, 同时为产业化大规模的量产提供了可能.

    在柔性反式钙钛矿太阳能电池中, 常采用聚酯塑料(如PET、PEN等)作为柔性基底[98~100], PEDOT:PSS作为空穴传输材料, PCBM作为电子传输材料, 基本结构为柔性衬底/ITO/PEDOT:PSS/钙钛矿层/PCBM/电极[101~104] (图 9a, 9b). Zhang等[98]在柔性PET基片上制备了无空穴传输层的反式钙钛矿太阳能电池, 实现了器件9.7%的光电转换效率. Najafi等[105]以PEN/ITO作基底, 在室温下, 分别采用溶液法制备的NiOx和ZnO纳米颗粒作为空穴传输层和电子传输层, 采用三重阳离子钙钛矿薄膜作为吸光层, 反式柔性器件的光电转化效率达到16.6%.

    表 2

    表 2  反式钙钛矿太阳能电池中不同电子传输层结构的性能参数
    Table 2.  Performance parameters of different electron transport layer structures in trans-perovskite solar cells
    下载: 导出CSV
    ETM Structure Voc Jsc FF PCE/% Ref.
    PCBM PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/C60/BCP/Al 0.6 10.3 0.63 3.9 [7]
    PEDOT:PSS/MAPbI3-xClx/PC61BM/Al 0.87 18.5 0.72 11.5 [88]
    PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PC71BM/Al 1.05 19.98 0.78 16.3 [89]
    PEDOT:PSS/MAPbI3/PCBM/Au 1.1 20.9 0.79 18.1 [18]
    Cs:NiOx/MAPbI3/PCBM/Ag 1.12 21.8 0.79 19.3 [14]
    PCBM/Interface Modification NiO/meso-NiO/MAPbI3/PCBM/BCP/Al 1.04 13.2 0.69 9.51 [9]
    P3CT-Na/MAPbI3/PCBM/C60/Al 1.07 21.1 0.73 16.6 [61]
    PTAA/MAPbI3/PCBM/C60/BCP/Ag 1.07 22.0 0.77 18.1 [33]
    PLD-NiO/MAbI3/PCBM/LiF/Al 1.06 20.2 0.81 17.3 [62]
    PEDOT:PSS/MAPbI3-xClx/PC61BM/TiOx/Al 0.94 15.8 0.66 9.8 [59]
    NiMgLiO/MAPbI3/PCBM/Ti(Nb)Ox/Ag 1.08 20.4 0.83 18.3 [13]
    np-NiOx/(FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15/PCBM/ZnO/Ag 1.08 22.8 0.78 19.1 [19]
    PCBM-Doping Modification PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3-xClx/PCBM:GD/C60/Al 0.97 23.4 0.65 14.8 [90]
    PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3-xClx/PCBM:Oleamide/Ag 0.98 18.7 0.69 12.69 [91]
    PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PCBM:rGO/Ag 0.85 22.9 0.66 12.8 [92]
    PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PCBM:DMBI/Ag 0.96 16.4 0.79 12.5 [93]
    NiO/CH3NH3PbI3/PCBM:CoSe/Ag 1.07 19.8 0.7 14.9 [94]
    P3CT-K/MAPbI3/PC61BM:SnO2/Al 1.12 23.2 0.76 19.7 [20]
    PEDOT:PSS/MAPbI3/PCBM:F8TBT/Ag 1.12 22.4 0.82 20.6 [15]
    Nonfullerene electron acceptor PEDOT:PSS/MAPbI3/QCAPZ/LiF/Al 0.86 16.5 0.72 10.3 [95]
    Cu:NiOx/CH3NH3PbI3/CdS/Au 1.01 19.74 0.67 13.4 [96]
    P3CT-Na/MAPbI3/TPE-PDI4/C60/LiF/Ag 1.05 21.98 0.81 18.8 [84]
    PEDOT:PSS/MAPbI3/Br-PDI/ZnO-NP/Ag 0.84 18.8 0.65 10.2 [85]
    P3CT-Na/MAPbI3/ITCPTC-Th/C60/BCP/Ag 1.03 21.77 0.76 17.1 [86]
    P3CT-N/MAPbI3/IT-M/s-Bphen/Ag 1.08 21.1 0.77 17.65 [87]

    表 3

    表 3  柔性反式钙钛矿太阳能电池光电性能表
    Table 3.  Flexible inverted perovskite solar cell photoelectric performance table
    下载: 导出CSV
    Flexible substrates Structure Voc Jsc FF PCE/% Ref.
    PET ITO/CH3NH3PbI3/PC61BM/Al 0.96 14.8 0.68 9.7 [98]
    PET ITO/PEDOT:PSS/MAPbI3-xClx/PC61BM/Ag 0.95 19.8 0.70 13.27 [99]
    PET ITO/NiOx/MAPbI3/PCBM/bis-C60/Ag 1.10 20.7 0.71 16.2 [100]
    PEN SWNT/MoO3/PEDOT:PSS/MAPbI3/C60/BCP/LiF/Al 0.90 18.8 0.65 11.0 [101]
    PEN ITO/NiOx np/Cs0.05(MA0.17PFA0.83)0.95Pb(I0.9Br0.1)3/PC61BM/ZnO np/Al 1.02 20.6 0.73 15.3 [105]
    PET AZO/Ag/AZO/PEDOT:PSS/PolyTPD/MAPbI3/PCBM/Au 1.04 14.3 0.47 7.00 [106]
    PET PEDOT:PSS/MAPbI3/PTCDI/Cr/Cr2O3/Au 0.93 17.5 0.80 12.5 [107]

    由于重复弯曲会引起柔性基底上ITO脆性损坏, 导致电阻增加, 器件在多次弯曲后光电性能急剧下降.为了提高柔性器件的机械稳定性和耐久性, 透明导电层材料的选择和优化成为研究重点.有研究报道, 采用AZO/Ag/AZO多层膜在PET箔上作为导电层, 在50次弯曲循环后, 器件的性能保持基本稳定[106]. Bauer等[107]报道了在柔性PET基片上制备的反式钙钛矿太阳能电池, 器件结构如图 9c所示, 该柔性器件光电转化效率为12.5%, 并且在5000次弯曲后保持了原始效率的95%(图 8d), 稳定性良好.

    图 8

    图 8.  (a) 采用聚酯塑料(PET)作为柔性基底的反式钙钛矿太阳能电池结构[94]; (b)透明碳电极、碳纳米管和石墨烯作为柔性(PET)反式钙钛矿太阳电池的对电极结构[97]; (c)柔性PET基片反式结构器件[107]; (d)柔性PET基片反式结构器件5000次弯曲后PCE的变化[107]
    Figure 8.  (a) The structure of trans-perovskite solar cells using polyester plastics (PET) as flexible substrates[94]; (b) Transparent carbon electrode, carbon nanotubes and graphene as electrode structures for flexible (PET) inverted perovskite solar cells[97]; (c) Flexible PET substrate inverted structure devices[107]; (d) PCE changes of flexible PET substrates after 5000 bends[107]
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    5.   结论与展望

    反式钙钛矿太阳能电池兴起于2013年, 随着常规正置钙钛矿型太阳能电池效率的提高, 反式钙钛矿型太阳能电池的性能也取得了显著的进步, 实现了20%以上的光电转化效率.反式钙钛矿太阳能电池除了具有高的器件性能外, 在实现低成本柔性光伏器件方面也显示出优越性.在消除了高温烧结工艺后, 反式钙钛矿太阳能电池可以通过低温方法制备, 为低成本、高生产能力柔性器件商业化发展以及半透明光伏器件的应用提供了可能.

    现阶段, 反式器件的稳定性、大面积和环保仍然是制约其工业化的瓶颈.首先需要更好地了解钙钛矿、电荷传输材料的分解机制以及材料之间的离子迁移和界面非辐射复合等, 从开发设计更好的封装技术、新型电子及空穴传输材料、界面修饰方式的优化以及界面的电荷传输调控等方面考虑以提高器件的稳定性.制造高质量的大面积钙钛矿薄膜仍然是一项重大挑战.在正置结构中已经提出了几种方法(例如刮涂、涂布等), 目前, 100 cm2的大面积钙钛矿模组光电转化效率接近15%;而反式钙钛矿太阳能电池因其受阻于电荷传输材料大面积成膜性能差等问题, 目前大部分研究都集中在小面积区域, 因此需要开发新方法、新材料或新思路为工业化提供新选择.此外, 通过Sn、Bi等无毒金属元素替换或减少钙钛矿材料中Pb的含量, 以研发更稳定的无铅或少铅的钙钛矿太阳能电池.

    可以预期, 解决了商业化进程中的效率、稳定性、大面积、低成本以及环保五个问题, 反式钙钛矿太阳能电池的产业化应用前景将十分可观.


    1. [1]

      Kojima, A.; Teshima, K.; Shirai, Y.; Miyasaka, T. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6050. doi: 10.1021/ja809598r

    2. [2]

      Best Research-Cell Efficiency Chart. https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html.

    3. [3]

      Yang, Y.; Wang, W. J. Power Sources 2015, 293, 577. doi: 10.1016/j.jpowsour.2015.05.081

    4. [4]

      Meng, L.; You, J.; Guo, T.; Yang, Y. Acc. Chem. Res. 2015, 49, 155.

    5. [5]

      Lian, X.; Chen, J.; Fu, R.; Lau, T. K.; Zhang, Y.; Wu, G.; Lu, X.; Fang, Y.; Yang, D.; Chen, H. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 24633.

    6. [6]

      Lee, J. W.; Kim, S. G.; Bae, S. H.; Lee, D. K.; Lin, O.; Yang, Y.; Park, N. G. Nano Lett. 2017, 17, 4270. doi: 10.1021/acs.nanolett.7b01211

    7. [7]

      Jeng, J.; Chiang, Y.; Lee, M. H.; Peng, S.; Guo, T.; Chen, P.; Wen, T. Adv. Mater. 2013, 25, 3727. doi: 10.1002/adma.201301327

    8. [8]

      Bai, S.; Wu, Z.; Wu, X.; Jin, Y.; Zhao, N.; Chen, Z.; Mei, Q.; Wang, X.; Ye, Z.; Song, T.; Liu, R.; Lee, S.; Sun, B. Nano Res. 2014, 7, 1749. doi: 10.1007/s12274-014-0534-8

    9. [9]

      Wang, K.; Jeng, J.; Shen, P.; Chang, Y.; Diau, E. W.; Tsai, C. H.; Chao, T. Y.; Hsu, H. C.; Lin, P.; Chen, P.; Guo, T.; Wen, T. Sci. Rep. 2014, 4, 4756.

    10. [10]

      Kim, J. H.; Liang, P.; Williams, S. T.; Cho, N.; Chueh, C. C.; Glaz, M. S.; Ginger, D. S.; Jen, A. K. Y. Adv. Mater. 2015, 27, 695. doi: 10.1002/adma.201404189

    11. [11]

      Hu, Z.; Chen, D.; Yang, P.; Yang, L.; Qin, L.; Huang, Y.; Zhao, X. Appl. Surf. Sci. 2018, 441, 258. doi: 10.1016/j.apsusc.2018.01.236

    12. [12]

      Wei, Y.; Yao, K.; Wang, X.; Jiang, Y.; Liu, X.; Zhou, N.; Li, F. Appl. Surf. Sci. 2018, 427, 782. doi: 10.1016/j.apsusc.2017.08.184

    13. [13]

      Chen, W.; Wu, Y.; Yue, Y.; Liu, J.; Zhang, W.; Yang, X.; Chen, H.; Bi, E.; Ashraful, I.; Grätzel, M.; Han, L. Science 2015, 350, 944. doi: 10.1126/science.aad1015

    14. [14]

      Chen, W.; Liu, F.; Feng, X.; Aleksandra, B. D.; Chan, W.; He, Z. Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1700722. doi: 10.1002/aenm.201700722

    15. [15]

      Yang, D.; Zhang, X.; Wang, K.; Wu, C.; Yang, R.; Hou, Y.; Jiang, Y.; Liu, S.; Priya, S. Nano Lett. 2019, 19, 3313. doi: 10.1021/acs.nanolett.9b00936

    16. [16]

      Luo, D.; Yang, W.; Wang, Z.; Sadhanala, A.; Hu, Q.; Su, R.; Shivanna, R.; Gustavo F. T.; John, F. W.; Xu, Z.; Liu, T.; Chen, K.; Ye, F.; Wu, P.; Zhao, L.; Wu, J.; Tu, Y.; Zhang, Y.; Yang, X.; Zhang, W.; Richard, H. F.; Gong, Q.; Snaith, H. J.; Zhu, R. Science 2018, 360, 1442. doi: 10.1126/science.aap9282

    17. [17]

      Malinkiewicz, O.; Yella, A.; Lee, Y. H.; Espallargas, G. M.; Graetzel, M.; Mohammad, K. N.; Henk, J. B. Nat. Photonics 2014, 8, 128. doi: 10.1038/nphoton.2013.341

    18. [18]

      Heo, J. H.; Han, H. J.; Kim, D.; Ahn, T. K.; Im, S. H. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 1602. doi: 10.1039/C5EE00120J

    19. [19]

      Sawanta, S. M.; Kim, H.; Kim, H. H.; Shim, S. E.; Hong, C. K. Mater. Today 2018, 21, 483. doi: 10.1016/j.mattod.2017.12.002

    20. [20]

      Wang, Y.; Duan, C.; Li, J.; Han, W.; Zhao, M.; Yao, L.; Wang, Y.; Yan, C.; Jiu, T. ACS Appl. Mater. Interf. 2018, 10, 20128. doi: 10.1021/acsami.8b03444

    21. [21]

      Zheng, X.; Deng, Y.; Chen, B.; Wei, H.; Xiao, X.; Fang, Y.; Lin, Y.; Yu, Z.; Liu, Y.; Wang, Q.; Huang, J. Adv. Mater. 2018, 1803428.

    22. [22]

      Marchioro, A.; Teuscher, J.; Friedrich, D.; Kunst, M.; Krol, R.; Moehl, T.; Grätzel, M.; Moser, J. E. Nat. Photonics 2014, 8, 250. doi: 10.1038/nphoton.2013.374

    23. [23]

      Chen, K.; Hu, Q.; Liu, T.; Zhao, L.; Luo, D.; Wu, J.; Zhang, Y.; Zhang, W.; Liu, F.; Russell, T. P.; Zhu, R.; Gong, Q. Adv. Mater. 2016, 28, 10718. doi: 10.1002/adma.201604048

    24. [24]

      Na, S.; Kim, S.; Jo, J.; Kim, D. Adv. Mater. 2008, 20, 4061. doi: 10.1002/adma.200800338

    25. [25]

      Liu, H.; Li, M.; Richard, B. K.; Chen, S.; Pei, Q. ACS Appl. Mater. Interf. 2018, 10, 15609. doi: 10.1021/acsami.8b00014

    26. [26]

      Yang, P.; Tang, Q. Electrochim. Acta 2016, 188, 560. doi: 10.1016/j.electacta.2015.12.066

    27. [27]

      Gao, J.; Yang, Y.; Zhang, Z.; Yan, J.; Lin, Z.; Guo, X. Nano Energy 2016, 26, 123. doi: 10.1016/j.nanoen.2016.05.010

    28. [28]

      Yang, Y.; Gao, J.; Zhang, Z.; Xiao, S.; Xie, H.; Sun, Z.; Wang, J.; Zhou, C.; Wang, Y.; Guo, X.; Chu, P.; Yu, X. Adv. Mater. 2016, 28, 8787. doi: 10.1002/adma.201670279

    29. [29]

      Gao, J.; Yang, Y.; Yan, J.; Zhang, Z.; Pan, D.; Dai, Q.; Guo, X. J. Alloy. Compd. 2018, 764, 482. doi: 10.1016/j.jallcom.2018.06.079

    30. [30]

      杨英, 陈甜, 潘德群, 张政, 郭学益, 化学学报, 2018, 76, 997. doi: 10.11862/CJIC.2018.125Yang, Y.; Chen, T.; Pan, D.; Zhang, Z.; Guo, X. Acta Chim. Sinica 2018, 76, 997 (in Chinese). doi: 10.11862/CJIC.2018.125

    31. [31]

      Liang, P. W.; Liao, C. Y.; Chueh, C. C.; Zuo, F.; Williams, S. T.; Xin, X. K.; Lin, J.; Jen, A. K. Y. Adv. Mater. 2014, 26, 3748. doi: 10.1002/adma.201400231

    32. [32]

      Lim, K. G.; Kim, H. B.; Jeong, J.; Kim, H.; Kim, J. Y.; Lee, T. W. Adv. Mater. 2014, 26, 6461. doi: 10.1002/adma.201401775

    33. [33]

      Bi, C.; Wang, Q.; Shao, Y.; Yuan, Y.; Xiao, Z.; Huang, J. Nat. Commun. 2015, 6, 7747. doi: 10.1038/ncomms8747

    34. [34]

      Lou, Y.; Li, M.; Wang, Z. Appl. Phys. Lett. 2016, 108, 053301. doi: 10.1063/1.4941416

    35. [35]

      Qian, M.; Li, M.; Shi, X.; Ma, H.; Wang, Z; Liao, L. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 10533.

    36. [36]

      黄鹏, 元利刚, 李耀文, 周祎, 宋波, 物理化学学报, 2018, 34, 1264. doi: 10.3866/PKU.WHXB201804096Huang, P.; Yuan, L.; Li, Y.; Zhou, W.; Song, B. Acta Phys.-Chim. Sin. 2018, 34, 1264 (in Chinese). doi: 10.3866/PKU.WHXB201804096

    37. [37]

      Huang, D.; Goh, T.; Kong, J.; Zheng, Y.; Zhao, S.; Xu, Z.; Taylor, A. D. Nanoscale 2017, 9, 4236. doi: 10.1039/C6NR08375G

    38. [38]

      Hu, L.; Sun, K.; Wang, M.; Chen, W.; Yang, B.; Fu, J.; Xiong, Z.; Li, X.; Tang, X.; Zang, Z.; Zhang, S.; Sun, L.; Li, M. ACS Appl. Mater. Interf. 2017, 9, 43902. doi: 10.1021/acsami.7b14592

    39. [39]

      Liu, D.; Li, Y.; Yuan, J.; Hong, Q.; Shi, G.; Yuan, D.; Wei, J.; Huang, C.; Tang, J.; Fung, M. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 5701. doi: 10.1039/C6TA10212C

    40. [40]

      Yu, J.; Hong, J.; Jung, E.; Kim, D. B.; Baek, S. M.; Lee, S.; Cho, S.; Park, S. S.; Choi, K. J.; Song, M. Sci. Rep. 2018, 8, 1070. doi: 10.1038/s41598-018-19612-7

    41. [41]

      Yoon, S.; Ha, T. J.; Kang, D. W. Nanoscale 2017, 9, 9754. doi: 10.1039/C7NR02404E

    42. [42]

      Luo, H.; Lin, X.; Hou, X.; Pan, L.; Huang, S.; Chen, X. Nano-Micro Lett. 2017, 9, 39. doi: 10.1007/s40820-017-0140-x

    43. [43]

      Jhuo, H. J.; Yeh, P. N.; Liao, S. H.; Li, Y. L.; Sharma, S.; Chen, S. A. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 9291. doi: 10.1039/C5TA01479D

    44. [44]

      Sung, H.; Ahn, N.; Jang, M.; Lee, J.; Yoon, H.; Park, N.; Choi, M. Adv. Energy Mater. 2015, 6, 1501873.

    45. [45]

      Huang, J.; Yuan, Y.; Shao, Y.; Yan, Y. Nat. Rev. Mater. 2017, 2, 17042. doi: 10.1038/natrevmats.2017.42

    46. [46]

      Zhang, W.; Smith, J.; Hamilton, R.; Heeney, M.; Kirkpatrick, J.; Song, K.; Watkins, S. E.; Anthopoulos, T.; McCulloch, I. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 10814. doi: 10.1021/ja9034818

    47. [47]

      Serpetzoglou, E.; Konidakis, I.; Kakavelakis, G.; Maksudov, T.; Kymakis, E.; Stratakis, E. ACS Appl. Mater. Interf. 2017, 9, 43910. doi: 10.1021/acsami.7b15195

    48. [48]

      Xiao, X.; Bao, C.; Fang, Y.; Dai, J.; Ecker, B. R.; Wang, C.; Lin, Y.; Tang, S.; Liu, Y.; Deng, Y.; Zheng, X.; Gao, Y.; Zeng, X.; Huang, J. Adv. Mater. 2018, 30, 1705176. doi: 10.1002/adma.201705176

    49. [49]

      Deng, Y.; Zheng, X.; Bai, Y.; Wang, Q.; Zhao, J.; Huang, J. Nat. Energy 2018, 3, 560. doi: 10.1038/s41560-018-0153-9

    50. [50]

      Wang, Q.; Bi, C.; Huang, J. Nano Energy 2015, 15, 275. doi: 10.1016/j.nanoen.2015.04.029

    51. [51]

      Zhou, Z.; Li, X.; Cai, M.; Xie, F.; Wu, Y.; Lan, Z.; Yang, X.; Qiang, Y.; Ashraful, I.; Han, L. Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1700763. doi: 10.1002/aenm.201700763

    52. [52]

      Yan, W.; Li, Y.; Li, Y.; Ye, S.; Liu, Z.; Wang, S.; Bian, Z.; Huang, C. Nano Res. 2015, 8, 2474. doi: 10.1007/s12274-015-0755-5

    53. [53]

      Yan, W.; Li, Y.; Li, Y.; Ye, S.; Liu, Z.; Wang, S.; Bian, Z.; Huang, C. Nano Energy 2015, 16, 428. doi: 10.1016/j.nanoen.2015.07.024

    54. [54]

      Chiang, T.; Fan, G.; Jeng, J.; Chen, K.; Chen, P.; Wen, T.; Guo, T.; Wong, K. ACS Appl. Mater. Interf. 2015, 7, 24973. doi: 10.1021/acsami.5b09012

    55. [55]

      Zhao, D.; Sexton, M.; Park, H. Y.; George, B.; Juan, C. N.; Franky, S. Adv. Energy Mater. 2014, 5, 1570031.

    56. [56]

      Choi, H.; Mai, C. K.; Kim, H. B.; Jeong, J.; Song, S.; Bazan, G. C.; Kim, J. Y.; Heeger, A. J. Nat. Commun. 2015, 6, 7348. doi: 10.1038/ncomms8348

    57. [57]

      Li, X.; Liu, X.; Wang, X.; Zhao, L.; Jiu, T.; Fang, J. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 15024. doi: 10.1039/C5TA04712A

    58. [58]

      Luo, S.; Sun, Y.; Hu, Q. Shangdong Ceram. 2010, 33, 0014.

    59. [59]

      Docampo, P.; Ball, J. M.; Darwich, M.; Eperon, G. E.; Snaith, H. J. Nat. Commun. 2013, 4, 2761. doi: 10.1038/ncomms3761

    60. [60]

      Chen, W.; Wu, Y.; Liu, J.; Qin, C.; Yang, X.; Islam, A.; Cheng, Y. B.; Han, L. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 629. doi: 10.1039/C4EE02833C

    61. [61]

      Cui, J.; Meng, F.; Zhang, H.; Cao, K.; Yuan, H.; Cheng, Y.; Huang, F.; Wang, M. ACS Appl. Mater. Interf. 2014, 6, 22862. doi: 10.1021/am507108u

    62. [62]

      Park, J. H.; Seo, J.; Park, S.; Shin, S. S.; Kim, Y. C.; Jeon, N. J.; Shin, H. W.; Ahn, T. K.; Noh, J. H.; Yoon, S. C.; Hwang, C. S.; Seok, S. I. Adv. Mater. 2015, 27, 4013.

    63. [63]

      Tang, L.; Chen, X.; Wen, T; Yang, S.; Zhao, J.; Qiao, H.; Hou, Y.; Yang, H. Chem 2018, 24, 2845. doi: 10.1002/chem.201705658

    64. [64]

      Subbiah, A. S.; Halder, A.; Ghosh, S.; Mahuli, N.; Hodes, G.; Sarkar, S. K. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 1748. doi: 10.1021/jz500645n

    65. [65]

      Ye, S.; Sun, W.; Li, Y.; Yan, W.; Peng, H.; Bian, Z.; Liu, Z.; Huang, C. Nano Lett. 2015, 15, 3723. doi: 10.1021/acs.nanolett.5b00116

    66. [66]

      Wang, H.; Yu, Z.; Jiang, X.; Li, J.; Cai, B.; Yang, X.; Sun, L. Energy Technol. 2017, 5, 1836.

    67. [67]

      Yu, W.; Li, F.; Wang, H.; Alarousu, E.; Chen, Y.; Lin, B.; Wang, L.; Hedhili, M. N.; Li, Y.; Wu, K.; Wang, X.; Mohammed, O. F.; Wu, T. Nanoscale 2016, 8, 6173. doi: 10.1039/C5NR07758C

    68. [68]

      Yu, Z.; Fu, W.; Liu, W.; Zhang, Z.; Liu, Y.; Yan, J.; Ye, T.; Yang, W.; Li, H.; Chen, H. Chinese Chem. Lett. 2017, 28, 13. doi: 10.1016/j.cclet.2016.06.021

    69. [69]

      Guo, C. X.; Sun, K.; Ouyang, J.; Lu, X. Chem. Mater. 2015, 27, 5813. doi: 10.1021/acs.chemmater.5b02512

    70. [70]

      Wu, Z.; Bai, S.; Xiang, J.; Yuan, Z.; Yang, Y.; Cui, W.; Gao, X.; Liu, Z.; Jin, Y.; Sun, B. Nanoscale 2014, 6, 10505. doi: 10.1039/C4NR03181D

    71. [71]

      Yeo, J. S.; Kang, R.; Lee, S.; Jeon, Y. J.; Myoung, N. S.; Lee, C. L.; Kim, D. Y.; Yun, J. M.; Seo, Y. H.; Kim, S. S.; Na, S. I. Nano Energy 2015, 12, 96. doi: 10.1016/j.nanoen.2014.12.022

    72. [72]

      张烨, 姚志博, 林仕伟, 李建保, 林红, 化学学报, 2015, 73, 219. http://sioc-journal.cn/Jwk_hxxb/CN/abstract/abstract344833.shtmlZhang, Y.; Yao, Z.; Lin, S.; Li, J.; Lin, H. Acta Chim. Sinica 2015, 73, 219 (in Chinese). http://sioc-journal.cn/Jwk_hxxb/CN/abstract/abstract344833.shtml

    73. [73]

      薛启帆, 孙辰, 胡志诚, 黄飞, 叶轩立, 曹镛, 化学学报, 2015, 73, 179. http://sioc-journal.cn/Jwk_hxxb/CN/abstract/abstract344707.shtmlXue, Q.; Sun, C.; Hu, Z.; Huang, F.; Ye, X.; Cao, Y. Acta Chim. Sinica 2015, 73, 179 (in Chinese). http://sioc-journal.cn/Jwk_hxxb/CN/abstract/abstract344707.shtml

    74. [74]

      Pang, S.; Hu, H.; Zhang, J.; Lv, S.; Yu, Y.; Wei, F.; Qin, T.; Xu, H.; Liu, Z.; Cui, G. Chem. Mater. 2014, 26, 1485. doi: 10.1021/cm404006p

    75. [75]

      Zuo, F.; Williams, S. T.; Liang, P. W.; Chueh, C. C.; Liao, C. Y.; Jen, A. K. Adv. Mater. 2014, 26, 6454. doi: 10.1002/adma.201401641

    76. [76]

      白晓功, 史彦涛, 王开, 董庆顺, 邢玉瑾, 张鸿, 王亮, 马廷丽, 物理化学学报, 2015, 31, 285. doi: 10.3866/PKU.WHXB201412241Bai, X.; Shi, Y.; Wang, K.; Dong, Q.; Xing, Y.; Zhang, H.; Wang, L.; Ma, T. Acta Phys.-Chim. Sin. 2015, 31, 285 (in Chinese). doi: 10.3866/PKU.WHXB201412241

    77. [77]

      Noel, N.; Stranks, S.; Abate, A.; Wehrenfennig, C.; Guarnera, S.; Haghighirad, A.; Sadhanala, A.; Eperon, G.; Pathak, S.; Johnston, M.; Petrozza, A.; Herz, L.; Snaith, H. J. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 3061. doi: 10.1039/C4EE01076K

    78. [78]

      Stranks, S. D.; Eperon, G. E.; Grancini, G.; Menelaou, C.; Alcocer, M. J.; Leijtens, T.; Herz, L. M.; Petrozza, A.; Snaith, H. J. Science 2013, 342, 341. doi: 10.1126/science.1243982

    79. [79]

      Hao, F.; Stoumpos, C. C.; Cao, D. H.; Chang, R. P. H.; Kanatzidis, M. G. Nat. Photonics 2014, 8, 489. doi: 10.1038/nphoton.2014.82

    80. [80]

      Noh, J. H.; Im, S. H.; Heo, J. H.; Mandal, T. N.; Seok, S. I. Nano Lett. 2013, 13, 1764. doi: 10.1021/nl400349b

    81. [81]

      陈薪羽, 解俊杰, 王炜, 袁慧慧, 许頔, 张焘, 何云龙, 沈沪江, 化学学报, 2019, 77, 9. doi: 10.3866/PKU.WHXB201711141Chen, X.; Xie, J.; Wang, W.; Yuan, H.; Xu, Y.; Zhang, T.; He, Y.; Shen, H. Acta Chim. Sinica 2019, 77, 9 (in Chinese). doi: 10.3866/PKU.WHXB201711141

    82. [82]

      吴苗苗, 刘世强, 陈浩, 魏雪虎, 李洺阳, 杨志宾, 马向东, 化学学报, 2018, 76, 49. doi: 10.3866/PKU.WHXB201707041Wu, M.; Liu, S.; Chen, H.; Wei, X.; Li, M.; Yang, Z.; Ma, X. Acta Chim. Sinica 2018, 76, 49 (in Chinese). doi: 10.3866/PKU.WHXB201707041

    83. [83]

      Wang, F.; Cao, Y. Z.; Chen, C.; Chen, Q.; Wu, X.; Li, X. G.; Qin, T. S.; Huang, W. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1803753. doi: 10.1002/adfm.201803753

    84. [84]

      Jiang, K.; Wu, F.; Yu, H.; Yao, Y.; Zhang, G.; Zhu, L.; Yan, H. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 16868. doi: 10.1039/C8TA06081A

    85. [85]

      Wu, J. L.; Huang, W. K.; Chang, Y. C.; Tsai, B. C.; Hsiao, Y. C.; Chang, C. Y.; Chen, C. T. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 12811. doi: 10.1039/C7TA02617J

    86. [86]

      Wu, F.; Gao, W.; Yu, H.; Zhu, L.; Li, L.; Yang, C. J. Mater. Chem C 2018, 6, 4443. doi: 10.1039/C8TA00492G

    87. [87]

      Liu, X.; Li, X.; Zou, Y.; Liu, H.; Wang, L.; Fang, J.; Yang, C. J. Mater. Chem. A 2019, 7.

    88. [88]

      You, J.; Hong, Z.; Yang, Y. M.; Chen, Q.; Cai, M.; Song, T. B.; Chen, C. C.; Lu, S.; Liu, Y.; Zhou, H.; Yang, Y. ACS Nano 2014, 8, 1674.

    89. [89]

      Chiang, C. H.; Tseng, Z. L.; Wu, C. G. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 15897. doi: 10.1039/C4TA03674C

    90. [90]

      Kuang, C.; Tang, G.; Jiu, T.; Yang, H.; Liu, H.; Li, B.; Luo, W.; Li, X.; Zhang, W.; Lu, F.; Fang, J.; Li, Y. Nano Lett. 2015, 15, 2756. doi: 10.1021/acs.nanolett.5b00787

    91. [91]

      Xia, F.; Wu, Q.; Zhou, P.; Li, Y.; Chen, X.; Liu, Q.; Zhu, J.; Dai, S.; Lu, Y.; Yang, S. ACS Appl. Mater. Interf. 2015, 7, 13659. doi: 10.1021/acsami.5b03525

    92. [92]

      Kakavelakis, G.; Maksudov, T.; Konios, D.; Paradisanos, I.; Kioseoglou, G.; Stratakis, E.; Kymakis, E. Adv. Energy Mater. 2016, 7.

    93. [93]

      Bae, J. H.; Noh, Y. J.; Kang, M.; Kim, D. Y.; Kim, H. B.; Oh, S. H.; Yun, J. M.; Na, S. I. RSC Adv. 2016, 6.

    94. [94]

      Chen, S.; Yang, S.; Sun, H.; Zhang, L.; Peng, J.; Liang, Z.; Wang, Z. S. J. Power Sources 2017, 353, 123. doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.03.144

    95. [95]

      Gu, P. Y.; Wang, N.; Wu, A.; Wang, Z.; Tian, M.; Fu, Z.; Sun, X. W.; Zhang, Q. Chem-Asian J. 2016, 11, 2135. doi: 10.1002/asia.201600856

    96. [96]

      Jia, J.; Wu, J.; Dong, J.; Fan, L.; Huang, M.; Lin, J.; Lan, Z. Chem. Commun. 2018, 54, 3170. doi: 10.1039/C7CC09838C

    97. [97]

      Yang, D.; Zhou, L.; Yu, W.; Zhang, J.; Li, C. Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1400591. doi: 10.1002/aenm.201400591

    98. [98]

      Zhang, Y.; Hu, X.; Chen, L.; Huang, Z.; Fu, Q.; Liu, Y.; Zhang, L.; Chen, Y. Org. Electron. 2016, 30, 281. doi: 10.1016/j.orgel.2016.01.002

    99. [99]

      Du, Y.; Cai, H.; Bao, X.; Xing, Z.; Wu, Y.; Xu, J.; Huang, L.; Ni, J.; Li, J.; Zhang, J. ACS Sustain. Chem. Eng. 2017, 6, 1083.

    100. [100]

      Wang, Q.; Chueh, C. C.; Zhao, T.; Cheng, J.; Eslamian, M.; Choy, W. C. H.; Jen, A. K. ChemSusChem 2017, 10, 3794. doi: 10.1002/cssc.201701262

    101. [101]

      Tavakoli, M. M.; Lin, Q.; Leung, S. F.; Lui, G. C.; Lu, H.; Li, L.; Xiang, B.; Fan, Z. Nanoscale 2016, 8, 4276. doi: 10.1039/C5NR08836D

    102. [102]

      Jeon, I.; Yoon, J.; Ahn, N.; Atwa, M.; Delacou, C.; Anisimov, A.; Kauppinen, E. I.; Choi, M.; Maruyama, S.; Matsuo, Y. J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 5395. doi: 10.1021/acs.jpclett.7b02229

    103. [103]

      Luo, Q.; Ma, H.; Hao, F.; Hou, Q.; Ren, J.; Wu, L.; Yao, Z.; Zhou, Y.; Wang, N.; Jiang, K.; Lin, H.; Guo, Z. Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1703068. doi: 10.1002/adfm.201703068

    104. [104]

      Hong, I. K.; Choi, M. J.; Lim, K.; Kim, C.; Kwon, Y. H.; Park, S. K. Adv. Energy Mater. 2018, 1702872.

    105. [105]

      Najafi, M.; Di, G. F.; Zhang, D.; Shanmugam, S.; Senes, A.; Verhees, W.; Hadipour, A.; Galagan, Y.; Aernouts, T.; Veenstra, S.; Andriessen, R. Small 2018, 14, 1702775. doi: 10.1002/smll.201702775

    106. [106]

      Cristina, R. C.; Malinkiewicz, O.; Soriano, A.; Espallargas, G. M.; Garcia, A.; Reinecke, P.; Kroyer, T.; Dar, M. I.; Nazeeruddine, M. K.; Bolink, H. J. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 994. doi: 10.1039/c3ee43619e

    107. [107]

      Kaltenbrunner, M.; Adam, G.; Głowacki, E. D.; Drack, M.; Schwödiauer, R.; Leonat, L.; Apaydin, D. H.; Groiss, H.; Scharber, M. C.; White, M. S.; Sariciftci, N. S.; Bauer, S. Nat. Mater. 2015, 14, 1032. doi: 10.1038/nmat4388

  • 图 1  典型反式钙钛矿太阳能电池结构及光电性能发展历程图[7, 8, 13~21]

    Figure 1  Structure and photoelectric performance of typical inverted perovskite solar cells[7, 8, 13~21]

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 2  (a) 反式钙钛矿太阳能电池典型结构; (b) PEDOT:PSS/钙钛矿/PCBM能级和电子转移示意图[22]

    Figure 2  (a) Typical structure of inverted perovskite solar cells; (b) PEDOT:PSS/perovskite/PCBM level and electron transfer schematic[22]

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 3  反式钙钛矿太阳能电池中不同空穴传输材料的能级, 包括有机导电聚合物或高分子(左)和无机p型半导体材料(右)[23]

    Figure 3  Energy levels of different hole transport materials in inverted perovskite solar cells, including organic conductive polymers or macromolecule (left) and inorganic p-type semiconductor materials (right)[23]

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 4  反式钙钛矿太阳能电池中PEDOT:PSS作空穴传输层的器件结构、材料能级和器件光电转化效率示意图; (a) PEDOT:PSS作为空穴传输层无掺杂修饰[18]; (b) NaCl掺杂PEDOT:PSS作为空穴传输层[38]; (c) MoO3对PEDOT:PSS的界面修饰[44]

    Figure 4  Schematic diagram of device structure, material level and device photoelectric conversion efficiency of PEDOT:PSS as a hole transport layer in trans-perovskite solar cells; (a) PEDOT:PSS as a hole transport layer without modification[18]; (b) NaCl Doped PEDOT:PSS as hole transport layer[38]; (c) Interface modification of PEDOT:PSS by MoO3[44]

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 5  (a) 钙钛矿材料ABX3晶体结构图[74]; (b)卤族元素掺杂比例对钙钛矿材料MAPb(I3-xBrx)光学性质的影响[79]

    Figure 5  (a) Crystal structure of perovskite material ABX3[74]; (b) Effect of halogen element doping ratio on optical properties of perovskite material MAPb(I3-xBrx)[79]

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 6  反式钙钛矿太阳能电池中不同电子传输材料的能级, 包括富勒烯及其衍生物(左)和非富勒烯电子传输材料(右)[7, 83~87]

    Figure 6  Energy levels of different electron transport materials in trans-perovskite solar cells, including fullerenes and their derivatives (left) and non-fullerene electron transport materials (right)[7, 83~87]

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 7  反式钙钛矿太阳能电池中电子传输材料的AFM图: (a) X-PDI4 (X＝H, F, Br)和(b) IT-X (X＝F, H, M)[85, 87]; (c)基于IT体系薄膜的水接触角[87]

    Figure 7  Atomic Force Microscopy of Electron Transport Materials in Trans-Perovskite Solar Cells: (a) X-PDI4 (X＝H, F, Br) and (b) IT-X (X＝F, H, M)[85, 87]; (c) Water Contact Angle Based on IT System Films[87]

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 8  (a) 采用聚酯塑料(PET)作为柔性基底的反式钙钛矿太阳能电池结构[94]; (b)透明碳电极、碳纳米管和石墨烯作为柔性(PET)反式钙钛矿太阳电池的对电极结构[97]; (c)柔性PET基片反式结构器件[107]; (d)柔性PET基片反式结构器件5000次弯曲后PCE的变化[107]

    Figure 8  (a) The structure of trans-perovskite solar cells using polyester plastics (PET) as flexible substrates[94]; (b) Transparent carbon electrode, carbon nanotubes and graphene as electrode structures for flexible (PET) inverted perovskite solar cells[97]; (c) Flexible PET substrate inverted structure devices[107]; (d) PCE changes of flexible PET substrates after 5000 bends[107]

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    表 1  反式钙钛矿太阳能电池中不同空穴传输层结构的性能参数

    Table 1.  Performance parameters of different hole transport layer structures in trans perovskite solar cells

    HTL Structure Voc Jsc FF PCE/% Ref.
    Simple PEDOT:PSS PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/C60/BCP/Al 0.6 10.3 0.63 3.9 [7]
    PEDOT:PSS/MAPbI3-xClx/PCBM/Bis-C60/Ag 0.92 17.5 0.73 11.8 [31]
    PEDOT:PSS/MAPbI3/PCBM/Au 1.1 20.9 0.79 18.2 [18]
    PEDOT:PSS-Doping Modification PEDOT:PSS-PFI/MAPbI3/PC61BM/Al 0.98 16.7 0.70 11.7 [32]
    PEDOT:PSS-GeO2/MAPbI3-xClx/PCBM/Ag 0.95 20.4 0.72 13.8 [34]
    PEDOT:PSS-AgNPs /MAPbI3-xClx/PC61BM/Bphen/Ag 0.93 21.5 0.79 15.75 [35]
    PEDOT:PSS-DMSO/CH3NH3PbI3/PCBM/BCP/Ag 0.92 22.7 0.80 16.7 [37]
    P EDOT:PSS-NaCl/MAPbI3-xClx/PCBM/RhB101/LiF/Ag 1.08 21.1 0.80 18.2 [38]
    PEDOT:PSS-F4-TCNQ/MAPbI3/PC61BM/BCP/Ag 1.02 21.9 0.77 17.2 [39]
    PEDOT:PSS-PEDOT:GO/MAPbI3/PCBM/ZnO/Ag 1.02 21.5 0.82 18.1 [40]
    PEDOT:PSS/Interface Modification SWNTs/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PCBM/Ag 0.98 18.0 0.71 12.5 [41]
    PEDOT:PSS/GO/MAPbI3/PCBM/Ag 0.93 21.5 0.72 15.3 [42]
    PEDOT:PSS/poly-TPD/MAPbI3/PCBM/Au 1.05 16.1 0.67 12.04 [17]
    PEDOT:PSS/X-QUPD/MAPbI3-xClx/PC61BM/Al 0.99 18.1 0.73 13.06 [43]
    PEDOT:PSS/X-OTPD/MAPbI3-xClx/PC61BM/Al 0.95 17.3 0.66 10.87 [44]
    MoO3/PEDOT:PSS/MAPbI3/C60/BCP/LiF/Al 1.06 21.5 0.75 17.1 [45]
    Simple PTAA PTAA/MAPbI3/PCBM/PFN/Al 1.01 20.24 0.77 15.67 [47]
    PTAA/MAPbI3/PCBM/C60/BCP/Ag 1.07 22.0 0.77 18.1 [33]
    PTAA/MAPbI3/PC61BM/C60/BCP/Cu 1.11 22.5 0.82 20.4 [48]
    PTAA/MAPbI3/C60/BCP/Cu 1.12 22.4 0.81 20.3 [49]
    PTAA/FA0.85MA0.15Pb(I0.85Br0.15)3/PC61BM/C60/BCP/Cu 1.13 23.3 0.80 21.1 [21]
    PTAA/(FA0.95PbI2.95)0.85(MAPbBr3)0.15/PC61BM/C60/BCP/Cu 1.175 21.86 0.81 20.9 [16]
    PTAA-Doping Modification OR Interface Modification PTAA-F4TCNQ/MAPbI3/PCBM/C60/BCP/Al 1.09 21.6 0.74 17.5 [50]
    ITO/rGO/PTAA/MAPbI3/PCBM/BCP/Ag 1.09 20.3 0.777 17.2 [51]
    Other Polymers Ultrathin PT/MAPbI3/C60/BCP/Ag 0.99 20.3 0.77 15.4 [54]
    PPPorPPN/MAPbI3/PCBM/C60/BCP/Ag 1.02 21.7 0.75 16.7 [53]
    VB-DAFF/MAPbI3/PCBM/C60/BCP/Ag 1.02 18.9 0.78 15.2 [54]
    Poly-TPD/MAPbI3/PCBM/C60/BCP/Ag 1.00 22.0 0.70 15.3 [55]
    c-OTPD/MAPbI3/PCBM/C60/BCP/Ag 1.05 22.4 0.76 17.8 [33]
    CPE-K/MAPbI3/PCBM/Al 0.89 20.1 0.77 12.5 [56]
    P3CT-Na/MAPbI3/PCBM/C60/Al 1.07 21.1 0.73 16.6 [57]
    P3CT-K/MAPbI3/PC61BM:SnO2/Al 1.12 23.2 0.76 19.7 [19]
    NiOx NiOx/meso-NiOnc/MAPbI3/PCBM/BCP/Al 1.04 13.2 0.69 9.51 [9]
    NiO/Meso-Al2O3/MAPbI3/PCBM/BCP/Ag 1.04 18.0 0.72 13.5 [60]
    NiO/MAPbI3/PCBM/BCP/Au 1.10 15.7 0.59 9.84 [61]
    PLD-NiO/MAPbI3/PCBM/LiF/Al 1.06 20.2 0.81. 17.3 [62]
    SG-NiO/MAPbI3/PCBM/BCP/Ag 0.99 22.9 0.80 18.2 [63]
    np-NiOx/(FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15/PCBM/ZnO/Ag 1.08 22.8 0.78 19.1 [20]
    Metal Ion Doping NiO Cu-NiOx/MAPbI3-xClx/PCBM/Bis-C60/Ag 1.11 19.0 0.73 15.4 [10]
    Y-NiO/MAPbI3/PC61BM/Au 1.00 23.8 0.68 16.3 [11]
    Ag:NiO/MAPbI3 /PCBM/BCP/Ag 1.07 19.4 0.79 16.4 [12]
    NiMgLiO/MAPbI3/PCBM/Ti(Nb)Ox/Ag 1.08 20.4 0.83 18.3 [13]
    Cs:NiOx/MAPbI3/PCBM/Ag 1.12 21.8 0.79 19.3 [14]
    CuX CuSCN/MAPbI3-xClx/PCBM/Ag 0.68 — — 3.8 [64]
    CuSCN/MAPbI3/C60/BCP/Ag 1.00 21.9 0.76 16.6 [65]
    CuI/MAPbI3/PCBM/Au 1.04 20.9 0.68 14.7 [66]
    Cu2O/MAPbI3/PCBM/Au 0.95 17.5 0.66 11.0 [67]
    CuOx/MAPbI3/PCBM/ZnO NPs/Al 1.03 22.4 0.76 17.4 [68]
    V2O5 V2O5-PEDOT NBs/CH3NH3PbI3-xClx/Rhodamine101/LiF/Ag 1.05 13.6 0.59 8.4 [69]
    Graphene Oxide GO/MAPbI3-xClx/PCBM/ZnO/Al 1.00 17.5 0.71 12.4 [70]
    rGO/MAPbI3/PCBM/BCP/Ag 0.95 14.8 0.71 10.8 [71]
    下载: 导出CSV

    表 2  反式钙钛矿太阳能电池中不同电子传输层结构的性能参数

    Table 2.  Performance parameters of different electron transport layer structures in trans-perovskite solar cells

    ETM Structure Voc Jsc FF PCE/% Ref.
    PCBM PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/C60/BCP/Al 0.6 10.3 0.63 3.9 [7]
    PEDOT:PSS/MAPbI3-xClx/PC61BM/Al 0.87 18.5 0.72 11.5 [88]
    PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PC71BM/Al 1.05 19.98 0.78 16.3 [89]
    PEDOT:PSS/MAPbI3/PCBM/Au 1.1 20.9 0.79 18.1 [18]
    Cs:NiOx/MAPbI3/PCBM/Ag 1.12 21.8 0.79 19.3 [14]
    PCBM/Interface Modification NiO/meso-NiO/MAPbI3/PCBM/BCP/Al 1.04 13.2 0.69 9.51 [9]
    P3CT-Na/MAPbI3/PCBM/C60/Al 1.07 21.1 0.73 16.6 [61]
    PTAA/MAPbI3/PCBM/C60/BCP/Ag 1.07 22.0 0.77 18.1 [33]
    PLD-NiO/MAbI3/PCBM/LiF/Al 1.06 20.2 0.81 17.3 [62]
    PEDOT:PSS/MAPbI3-xClx/PC61BM/TiOx/Al 0.94 15.8 0.66 9.8 [59]
    NiMgLiO/MAPbI3/PCBM/Ti(Nb)Ox/Ag 1.08 20.4 0.83 18.3 [13]
    np-NiOx/(FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15/PCBM/ZnO/Ag 1.08 22.8 0.78 19.1 [19]
    PCBM-Doping Modification PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3-xClx/PCBM:GD/C60/Al 0.97 23.4 0.65 14.8 [90]
    PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3-xClx/PCBM:Oleamide/Ag 0.98 18.7 0.69 12.69 [91]
    PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PCBM:rGO/Ag 0.85 22.9 0.66 12.8 [92]
    PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PCBM:DMBI/Ag 0.96 16.4 0.79 12.5 [93]
    NiO/CH3NH3PbI3/PCBM:CoSe/Ag 1.07 19.8 0.7 14.9 [94]
    P3CT-K/MAPbI3/PC61BM:SnO2/Al 1.12 23.2 0.76 19.7 [20]
    PEDOT:PSS/MAPbI3/PCBM:F8TBT/Ag 1.12 22.4 0.82 20.6 [15]
    Nonfullerene electron acceptor PEDOT:PSS/MAPbI3/QCAPZ/LiF/Al 0.86 16.5 0.72 10.3 [95]
    Cu:NiOx/CH3NH3PbI3/CdS/Au 1.01 19.74 0.67 13.4 [96]
    P3CT-Na/MAPbI3/TPE-PDI4/C60/LiF/Ag 1.05 21.98 0.81 18.8 [84]
    PEDOT:PSS/MAPbI3/Br-PDI/ZnO-NP/Ag 0.84 18.8 0.65 10.2 [85]
    P3CT-Na/MAPbI3/ITCPTC-Th/C60/BCP/Ag 1.03 21.77 0.76 17.1 [86]
    P3CT-N/MAPbI3/IT-M/s-Bphen/Ag 1.08 21.1 0.77 17.65 [87]
    下载: 导出CSV

    表 3  柔性反式钙钛矿太阳能电池光电性能表

    Table 3.  Flexible inverted perovskite solar cell photoelectric performance table

    Flexible substrates Structure Voc Jsc FF PCE/% Ref.
    PET ITO/CH3NH3PbI3/PC61BM/Al 0.96 14.8 0.68 9.7 [98]
    PET ITO/PEDOT:PSS/MAPbI3-xClx/PC61BM/Ag 0.95 19.8 0.70 13.27 [99]
    PET ITO/NiOx/MAPbI3/PCBM/bis-C60/Ag 1.10 20.7 0.71 16.2 [100]
    PEN SWNT/MoO3/PEDOT:PSS/MAPbI3/C60/BCP/LiF/Al 0.90 18.8 0.65 11.0 [101]
    PEN ITO/NiOx np/Cs0.05(MA0.17PFA0.83)0.95Pb(I0.9Br0.1)3/PC61BM/ZnO np/Al 1.02 20.6 0.73 15.3 [105]
    PET AZO/Ag/AZO/PEDOT:PSS/PolyTPD/MAPbI3/PCBM/Au 1.04 14.3 0.47 7.00 [106]
    PET PEDOT:PSS/MAPbI3/PTCDI/Cr/Cr2O3/Au 0.93 17.5 0.80 12.5 [107]
    下载: 导出CSV
  • 加载中
WeChat 扫一扫看文章
计量
  • PDF下载量:  330
  • 文章访问数:  11686
  • HTML全文浏览量:  4163
文章相关
  • 发布日期:  2019-10-15
  • 收稿日期:  2019-04-24
  • 网络出版日期:  2019-10-03
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章

All Rights Reserved by the Chinese Chemical Society   中国化学会 版权所有 京ICP备05002797号

本系统由北京仁和汇智信息技术有限公司开发    技术支持: info@rhhz.net