【引言】

鈣鈦礦太陽能電池自從2009年首次報道以來已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展。大部分溶液法制備的鈣鈦礦太陽能電池已認(rèn)證的效率達(dá)到20%以上。然而幾乎所有高效率的鈣鈦礦太陽能電池都是用旋涂法制備的，這種制備方法無法滿足工業(yè)化的高吞吐量與規(guī)模化制備的要求。研究者研發(fā)了幾種適用于規(guī)模化生產(chǎn)的鈣鈦礦薄膜制備方法，如：刮刀涂布法、噴霧沉積法、噴墨打印法和電沉積等。其中，由于刮刀涂布法的基底溫度可控，因此在規(guī)模化制備高質(zhì)量、大晶粒鈣鈦礦薄膜方法中脫穎而出。值得欣慰的是刮刀涂布法制備的鈣鈦礦太陽電池效率以及高達(dá)19%，已經(jīng)十分接近旋涂法制備的器件。

商業(yè)化生產(chǎn)不僅要滿足與規(guī)模化生產(chǎn)，還要滿足制造成本低。但是現(xiàn)在鈣鈦礦太陽能電池都需要昂貴的空穴傳輸層來實現(xiàn)高效率，如spiro-OMeTAD等。此外，疏水性的空穴傳輸層的存在導(dǎo)致將鈣鈦礦薄膜很難刮涂上去。因此考慮將空穴傳輸層去掉不僅有利于降低材料成本，還有利于降低制造成本，節(jié)約時間。

然而在去掉空穴傳輸層后，鈣鈦礦薄膜與ITO的功函數(shù)不匹配導(dǎo)致空穴很難從鈣鈦礦傳輸至ITO層，因此導(dǎo)致器件效率低下。如何解決功函數(shù)匹配問題是制備無空穴層高效鈣鈦礦太陽能電池面臨的巨大挑戰(zhàn)。

【成果簡介】

近日，北卡羅納大學(xué)和內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的黃勁松教授在Nat. Commun.上發(fā)表了一篇題為“Molecular doping enabled scalable blading of efficient hole-transport-layer-free perovskite solar cells”的文章。該文章報道了一種分子摻雜策略成功的解決了鈣鈦礦與ITO的能帶不匹配問題，實現(xiàn)了效率高達(dá)20%的無空穴傳輸層鈣鈦礦太陽能電池，此外該研究配合刮刀涂布法成功實現(xiàn)了高效太陽能電池的量產(chǎn)化。

【圖文簡介】

圖1：刮刀涂布法和摻雜F4TCNQ分子的鈣鈦礦薄膜

(a)刮刀涂布鈣鈦礦薄膜示意圖和F4TCNQ摻雜劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)式;

(b)基底為150攝氏度，刮涂在ITO上的鈣鈦礦薄膜的側(cè)面SEM圖;

(c-h)無摻雜鈣鈦礦薄膜的AFM圖(c)和表面勢壘圖(f);F4TCNQ摻雜鈣鈦礦薄膜的AFM圖(d)和表面勢壘圖g);將F4TCNQ顆粒灑在雜鈣鈦礦薄膜的AFM圖(e)和表面勢壘圖(h);

(i)不同鈣鈦礦膜表面電位分布;

(j)MAPbI3：F4TCNQ共混物能量圖和電子轉(zhuǎn)移過程示意圖。

圖2：純鈣鈦礦薄膜和摻雜鈣鈦礦薄膜的電導(dǎo)率和光致發(fā)光壽命

(a)鈣鈦礦薄膜橫向電導(dǎo)率的測試模型;

(b)摻雜與無摻雜鈣鈦礦薄膜的I-V曲線;

(c)時間分辨光致發(fā)光曲線;

(d)導(dǎo)電原子力顯微鏡測試方法;

(e-h)無摻雜的鈣鈦礦薄膜的晶粒形貌AFM圖(e)和在晶粒上與晶界上的C-V圖(f);摻雜的鈣鈦礦薄膜的晶粒形貌AFM圖(g)和在晶粒上與晶界上的C-V圖(h)。

圖3：鈣鈦礦薄膜形貌，器件結(jié)構(gòu)與光伏性能

(a-b)摻雜鈣鈦礦薄膜的低分辨率與高分辨率SEM圖;

(c)無空穴層鈣鈦礦電池器件結(jié)構(gòu)圖;

(d)J-V曲線;

(e)穩(wěn)態(tài)電流和穩(wěn)態(tài)PCE測試;

(f)EQE和積分電流;

(g)器件效率的統(tǒng)計分布圖。

圖4：界面空穴轉(zhuǎn)移機理

(a)空穴在ITO/MAPbI3界面轉(zhuǎn)移示意圖;

(b)空穴在ITO/F4TCNQ-MAPbI3界面轉(zhuǎn)移示意圖。

【小結(jié)】

該研究首先利用刮刀涂布法克服了大規(guī)模制備高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜難題，然后通過分子摻雜法解決了高效率無空穴傳輸層鈣鈦礦電池的難題。最后器件效率高達(dá)20%，并且?guī)缀鯚o遲滯效應(yīng)。該研究為鈣鈦礦太陽能電池商業(yè)化帶來了曙光。