Grätzel团队Science：低成本CuSCN材料的“华丽转身”

传统的硅太阳能电池的光电转换效率可达25％左右，使用寿命也可达十数年，牢牢把持着目前的全球光伏市场。不过硅太阳能电池的缺点和它的优点一样明显，制造成本高、重量大、结构呈刚性，这些问题也限制了光伏领域的发展。钙钛矿太阳能电池（PSC）作为一种新兴的光伏技术，目前已经实现了超过22％的光电转换效率。除了效率已经接近传统的硅太阳能电池，钙钛矿材料组分可变、制造成本低、重量轻、兼容柔性结构，很有希望引领光伏技术的未来发展方向。不过，钙钛矿材料目前的稳定性尤其在实际工作条件下的稳定性欠佳，这一重大缺陷阻碍了钙钛矿太阳能电池的商业化进程。

到目前为止，超过20%的钙钛矿太阳能电池普遍采用spiro-OMeTAD或PTTA作为空穴传输材料（HTM），这类有机材料价格高昂难以用于大规模生产，而且电池器件的热稳定性较差，难以长期稳定运行。一个解决策略是使用无机空穴传输材料。在各种无机空穴传输材料中，稳定、高效和廉价的硫氰酸亚铜（cuprous thiocyanate，CuSCN）受到了研究者的重视。CuSCN的成本在0.5美元/克左右，而spiro-OMeTAD的成本在500美元/克左右，相比之下比CuSCN贵1000倍。但是，科学家们以前在钙钛矿太阳能电池中使用CuSCN作为空穴传输材料的尝试，仅仅实现了中等的稳定工作效率，而且器件稳定性较差。这种“鸡肋”般的表现可能与两个方面的问题相关——在钙钛矿薄膜上无法沉积高质量的CuSCN层，以及钙钛矿太阳能电池中的CuSCN层化学稳定性较差。

近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Michael Grätzel教授、M. Ibrahim Dar博士、Neha Arora博士等人终于找到了办法，解决了上述两方面问题，让低成本的CuSCN材料完成了“华丽转身”。他们发展了一种简单的动态溶液沉积法，可在钙钛矿薄膜上沉积高质量的CuSCN层，这使得电池的稳定光电转换效率超过20%。另外，通过在CuSCN和金之间添加导电性还原石墨烯氧化物（rGO）间隔层，CuSCN的稳定性得到极大提高，所制得的钙钛矿太阳能电池器件60 ℃下在最大输出功率老化1000小时后，仍能保持初始效率的95%以上。相关论文发表在Science 杂志上。

Michael Grätzel教授。图片来源：EPFL

作者发现，在旋转速度为5000 转/秒的钙钛矿片上滴加固定体积的CuSCN溶液，就不会损害其薄膜质量。作者研究了这种动态沉积法得到的CuSCN的X射线衍射数据，发现所得主要是β-CuSCN。

图1. CuSCN薄膜涂在玻璃及钙钛矿上的结构表征。图片来源：Science

图2. 钙钛矿薄膜以及钙钛矿+CuSCN薄膜的形貌及荧光分析。图片来源：Science

得到了高质量的CuSCN层之后，作者以之为空穴传输材料制备了太阳能电池器件，并与以spiro-OMeTAD为空穴传输层的电池器件进行了对比。基于spiro-OMeTAD的电池的短路电流密度为23.35 mA cm^-2，开路电压为1137 mV，填充因子为77.5%，光电转换效率为20.8%（图3a）；基于CuSCN且以还原石墨烯氧化物作为间隔层的器件，短路电流密度为23.24 mA cm^-2，开路电压为1112 mV，填充因子为78.2%，其光电转换效率为20.4%（图3b），相比之下毫不逊色。在器件的热稳定性相关测试中（图3f），最大输出功率且60 ℃下，直接利用CuSCN作为空穴传输层的器件效率在24小时内下降明显，然而在CuSCN与金电极之间加入一层还原石墨烯氧化物作为间隔层，太阳光照下器件的热稳定性大幅度增强，1000小时后其效率基本保持不变，仅有不到5%的损失。作者认为，还原石墨烯氧化物作为间隔层，避免了在太阳能电池运行期间CuSCN与Au接触的降解，从而大幅提高电池的稳定性。

图3. 用spiro-OMeTAD或CuSCN作为空穴传输材料的器件光伏性能。图片来源：Science

总之，研究者采用无机空穴传输材料CuSCN制备了热稳定性大幅度增强的高效钙钛矿太阳能电池器件。相对于spiro-OMeTAD这类有机空穴传输材料，CuSCN不需要进行掺杂且价格低廉，再加上本文对沉积方法和器件结构的创造性改善，基于CuSCN的钙钛矿太阳能电池效率和稳定性提高明显。这一成果有望加速钙钛矿太阳能电池迈向大规模商业化生产的步伐。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Perovskite solar cells with CuSCN hole extraction layers yield stabilized efficiencies greater than 20%

Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aam5655