杨松旺课题组在碳电极钙钛矿太阳能电池界面优化和效率提升研究中取得系列进展

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太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源。太阳能电池可以实现光能到电能的高效转换，并且不造成环境污染和碳排放。发展高效率太阳能电池有助于我国实现“碳达峰碳中和”的远景目标。新一代的钙钛矿太阳能电池具有效率高、缺陷容忍度高、可溶液法制备、成本低等优点，在单结和多结太阳能电池中都体现了优异的光电转换效率。然而，使用贵金属电极不利于降低器件成本。碳电极成本低廉、制备工艺简单且稳定。全印刷工艺制备的大面积（＞70cm2）碳电极钙钛矿太阳能电池已经取得了13%以上的光电转换效率，并且器件稳定性优异。但是碳电极与钙钛矿的界面接触面积小、空穴传输层缺失、能级失配严重等问题依然存在。此外，印刷碳电极的热处理工艺也会损伤底部的钙钛矿吸光层。因此解决碳电极/钙钛矿的界面接触不良和能级失配、适当引入稳定的空穴传输层、优化热处理工艺对提升碳电极钙钛矿太阳能电池具有重要意义。

炭黑中间层提升碳电极全无机钙钛矿电池效率

真空辅助碳电极干燥过程示意图与钙钛矿/CuSCN薄膜的ToF-SIMS元素深度分布

大面积钙钛矿模块户外老化测试系统

　　最近，中国科学院上海硅酸盐研究所杨松旺研究员带领的团队在印刷碳电极钙钛矿太阳能电池方面取得新进展。该团队针对碳电极/CsPbI2Br钙钛矿界面接触不良和能级失配的问题，提出使用炭黑纳米颗粒构建炭黑中间层，达到优化界面载流子提取的目的。研究发现炭黑中间层的功函（-5.10 eV）介于CsPbI2Br钙钛矿的价带顶（-5.44 eV）与碳电极的功函（-5.03 eV）之间，起到了减少界面能级失配的作用；炭黑中间层致密且均匀，与CsPbI2Br钙钛矿和碳电极之间都有充分的界面接触。以上两点保证了光生空穴的有效提取，最优器件的光电转换效率达到了13.13%。并且基于炭黑中间层的器件在85oC持续加热2000小时后仍保持约90%的初始效率，显示出极佳的热稳定性。为进一步提升碳电极器件效率，该研究团队在(CsFAMA)Pb(IBr)3钙钛矿与碳电极之间引入无机CuSCN作为空穴传输层材料来提升空穴提取能力和器件效率。研究发现碳电极在通常的热处理温度（100oC）会加速SCN-在钙钛矿中的扩散，降低器件性能。为此，研究团队发展了一种真空辅助的低温碳电极烘干工艺。该工艺可在较低温度（＜60oC）加速溶剂挥发，缓解制备过程中引起的SCN-扩散导致的性能衰退，将器件性能提升至15.72%。稳定性测试显示该器件在300小时持续光照或者1000小时未封装保存时仍保持约85%的初始效率，表明该器件具有较好的稳定性。相关研究成果分别以“CsPbI2Br Perovskite Solar Cells Based on Carbon Black-Containing Counter Electrodes”和“Vacuum-Assisted Drying Process for Screen-Printable Carbon Electrodes of Perovskite Solar Cells with Enhanced Performance Based on Cuprous Thiocyanate as a Hole Transporting Layer”为题，发表在材料类期刊ACS Applied Materials & Interfaces （DOI: 10.1021/acsami.0c08006，10.1021/acsami.1c05495）。论文第一作者分别为上海硅酸盐所硕士研究生龚水平和王京，论文通讯作者为杨松旺研究员。
　　此外，研究团队还在前期小面积器件研究的基础上研制了125mm×125mm大面积钙钛矿太阳能电池模块，并进行户外老化性能测试；建成了小型钙钛矿太阳能组件分布式发电示范系统，开展了户外实证条件下的实际运行数据收集与分析评价工作。
　　上述研究工作得到了上海市自然科学基金、上海市人才发展资金资助计划、中国科学院Ａ类战略性先导科技专项和企业合作项目的资助。
　　相关链接：
　　https://doi.org/10.1021/acsami.0c08006
　　https://doi.org/10.1021/acsami.1c05495


     文章来源：上海硅酸盐所
     杨松旺，博士，上海硅酸盐所研究员，博士生导师，能源材料研究中心副主任。研究方向为钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、光催化材料、太阳能-染料转换系统等。近年来，围绕国家在清洁能源领域的战略需求，聚焦低成本高效率新型光伏电池基础和应用研究，发展了染料敏化和钙钛矿等新型光伏电池的大面积制备工艺和高耐久性实用化器件，研制成功印刷光伏电池自动化生产线，成功实现了新型光伏电池在分布式发电系统的应用示范。承担国家自然科学基金项目、863科技计划、中科院A类战略性先导科技专项、中科院重点部署项目、中科院国际合作项目、上海市战略性新兴产业项目、上海市科委基础研究重大专项和企业合作重大项目等科研项目；在JACS，Adv Mater等学术期刊发表SCI论文60余篇，已获授权发明专利50余项，制定标准6项；获上海市自然科学奖一等奖和上海市人才发展基金计划。

xsh1208

杨老师：
   您好！
   由重庆大学、中国光电产业平台、中国新材料发展平台联合主办的 “2022光电转换与太阳能电池材料发展论坛” 将于05月20日-22日在重庆举办，鉴于杨老师您的研究建树，组委会真诚地邀请您出席会议并做邀请报告，看您的时间安排。(若您方便，烦请添加下我的微信，我给您发份会议文件，谢谢您）


会务组：徐姝      TEL:18519592830      微信：xshu1208