日本开发出钙钛矿光伏电池新材料,解决稳定性课题

新技术 2018年04月13日

由日本东京大学研究生院化学专业的特聘教授中村荣一和特聘讲师Shang Rui等人组成的研发小组,开发出了中性的高功能且稳定的空穴传输材料“BDPSO”。“BDPSO”是同时含有高活性有机低分子和稳定性出色的无机盐的“有机-无机混合空穴传输材料”。

研发小组将“BDPSO”用作钙钛矿光伏电池的空穴传输层,大幅提高了太阳能电池制造过程中使用的空穴传输材料的性能稳定性,太阳能电池的寿命也大大提高。另外,面向实用化,研发小组还与三菱化学株式会社横滨研究所共同实施了检测试验。

钙钛矿光伏电池可利用涂覆工艺制造,自从有报告显示其转换效率超过20%以来,作为新一代太阳能电池一直备受关注,目前全球范围展开了激烈的研发竞争。这使得钙钛矿光伏电池的转换效率一直在不断提高,但稳定性始终存在巨大的课题,无法长期保持功能。明确稳定性低的原因,开发能够提高稳定性的新材料,是钙钛矿光伏电池实用化路上的当务之急。

作为替代以往的酸性材料“PEDOT:PSS”的新型空穴传输层材料,研发小组开发出了中性物质“BDPSO”。“BDPSO”在暗处保存1000个小时,性能未出现劣化;在35℃的光线下持续照射1300多个小时后,仍能维持初期性能的90%,其稳定性远高于原有材料。这有助于加快钙钛矿光伏电池的实用化步伐。

<研究成果>

钙钛矿光伏电池的工作原理是,向铅钙钛矿晶体(光敏层)照射光,形成激发态,把生成的“电子”和“空穴”分别“提取”到阳极和阴极,然后连接外部电路输出电流(图1)。这种“提取”不是自然发生的,而是需要在光敏层的上下方设置与电子和空穴亲和性高的材料,强行提取。如何选择材料,会大大影响太阳能电池的效率及元件的寿命。因此,围绕最合适的有机或无机材料,全球展开了激烈的研发竞争。

此次新开发的中性材料“BDPSO”的特点是,空穴迁移率高(易于提取空穴)、易于溶入有机溶剂。另外,将“BDPSO”用于空穴传输层时,可以适当调节HOMO(最高已占分子轨道)能级和钙钛矿的价带等级配置。这样能提高电荷提取速度及增加光电流。钙钛矿光伏电池的一大课题是电流-电压曲线中的滞后现象,而此次采用了“BDPSO”的电池完全不存在这种现象,能获得17%以上的高PCE(图2)。

实验发现,采用“PEDOT:PSS”的元件在空气中保存时性能会急剧劣化,改为采用“BDPSO”后,在空气中保存性能也很稳定,在35℃环境下持续照射光线1300多个小时后,仍能维持初期性能的90%(图3)。

“BDPSO”可经由图4所示的两条途径,利用市售的价格低廉的有机物,最少可分两步合成,而且能通过重结晶轻松精炼。在截至目前开发出的各种空穴传输材料中,有望成为最容易获得的材料。

<参考图>

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图1:钙钛矿光伏电池的工作原理和“有机-无机混合空穴传输材料:BDPSO”的特点

向光敏铅钙钛矿晶体(光敏层)照射光,形成激发态,把生成的“电子”和“空穴”分别“提取”到阳极和阴极,然后与外部电路连接输出电流。“提取”动作不会自然发生,需要在光敏层的上下方设置与电子和空穴亲和性高的材料,强行提取。

以富勒烯(C60)为首,有很多出色的电子传输材料,但空穴传输材料的选择却较少。“PEDOT:PSS”虽然性能高,得到广泛利用,但因其具备强酸性和吸湿性,会损坏活性层及电极等元件的很多部分,因此元件的寿命会明显缩短。这是钙钛矿光伏电池存在的一个问题。

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图2:采用“BDPSO”作为空穴传输材料的钙钛矿光伏电池的电流-电压曲线

forward表示升压时的电流-电压曲线、reverse表示降压时的电流-电压曲线。从图中可以看出,此次制作的钙钛矿光伏电池的电流-电压曲线没有随着电压扫描(升压/降压)方向发生偏移,具备良好的工作特性。

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图3:钙钛矿光伏电池的稳定性试验

·采用(1)“BDPSO”和(2)“PEDOT:PSS”作为空穴传输层的太阳能电池(未封装)在空气中(湿度为40-50%)存放时的稳定性试验

·对采用(3)“BDPSO”作为空穴传输层的太阳能电池(封装、防紫外线)实施35℃持续阳光照射的稳定性试验。

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图4:两步合成“BDPSO”的方法

“BDPSO”能利用市售的价格低廉的有机物以最短两个步骤合成,而且可以通过重结晶轻松进行精炼,因此有望作为低成本的空穴传输材料使用。照片上的是放置在空气中的“BDPSO”。

文/客观日本编辑部

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