Att utveckla billiga och stabila metallelektroder är avgörande för massproduktion av perovskitsolceller (PSC). Som ett jordrik grundämne blir Cu en alternativ kandidat för att ersätta ädelmetallelektroder som Au och Ag, på grund av dess jämförbara fysiokemiska egenskaper med samtidigt god stabilitet och låg kostnad. Den oönskade bandinriktningen som är förknippad med anordningsarkitekturen hindrar emellertid utforskningen av effektiva Cu-baserade n-i-p PSC:er. För att lösa detta problem undersökte forskare i Kina skillnaden i energinivå vid olika gränssnitt och erbjöd en potentiell väg framåt för att uppnå effektivare n-i-p PSC:er med en Cu-elektrod.

De publicerade sitt arbete den 8 juli i Energy Material Advances .

"Utvecklingen av kostnadseffektiva och högpresterande PSC:er är absolut nödvändig", säger pappersförfattaren Huanping Zhou, professor vid School of Materials Science and Engineering, Peking University (PKU). "För närvarande har Cu-elektroden väckt stor uppmärksamhet på grund av dess låga kostnad och goda stabilitet, men den är begränsad i prestanda för n-i-p-struktur PSC."

Zhou förklarade att Cu-elektroden har flera betydande fördelar som ett alternativ till Au eller Ag, särskilt som bakelektroden, som ansvarar för transport av bärare i enheten.

"Cu är det jordrika elementet, och det kostar mindre än 1/80 av Ag och 1/5500 av Au," sa Zhou. "Cu är den lovande kandidaten att bli PSC-elektrod för dess jämförbara fysikaliska egenskaper (d.v.s. konduktivitet) med Au och Ag, och goda stabilitet."

Men Cu-baserade n-i-p PSC:er kan inte uppvisa hög fotovoltaisk prestanda. Enligt Zhou är det största hindret att Fermi-nivån för håltransportskiktet (HTL, såsom Spiro-OMeTAD, –4,19 eV) är helt annorlunda med arbetsfunktionen hos Cu (–4,7 eV), vilket leder till en stor Schottky-barriär vid HTL/Cu-gränssnitt. Detta fenomen existerar inte i p-i-n PSC:er, eftersom Fermi-nivån för vanliga C₆₀ (elektrontransportskikt) är cirka –4,5 eV, vilket liknar arbetsfunktionen hos Cu. Det är därför Cu-baserade p-i-n PSC:er kan uppvisa hög optoelektronisk prestanda medan Cu-baserade n-i-p PSC:er inte kan.

För att lösa detta problem justerade Zhou och hennes team systematiskt Fermi-nivån för HTL för att matcha Cu-elektrodens arbetsfunktion, så att energiskillnaden vid HTL/Cu-gränssnittet kan minskas för bättre transport av bärare. Energiskillnaden mellan perovskit (Fermi-nivån är –4,08 eV) och Cu-elektroden är dock konstant, så den mindre energiskillnaden mellan HTL och Cu betyder större energiskillnad mellan perovskit och HTL, vilket är skadligt för bärarextraktion. Hur man balanserar energiskillnaden mellan perovskite/HTL och HTL/Cu-gränssnitt börjar bli viktigt för PSC-prestanda.

"Precis som bucket-effekten hoppas vi att både perovskite/HTL- och HTL/Cu-gränssnitten inte är de kortaste hinkarna under enhetens drift," sa Zhou. "I det här dokumentet justerade vi noggrant Fermi-nivån för HTL för att balansera energiskillnaden vid perovskite/HTL och HTL/Cu-gränssnitt, genom att lägga till olika mängder PTAA i Spiro-OMeTAD."

"Vi drog slutsatsen att den balanserade energiskillnaden mellan perovskite/HTL och HTL/Cu-gränssnitt avsevärt skulle kunna förbättra laddningsuppsamlings- och transportegenskaperna i de resulterande n-i-p PSC-enheterna," sa Zhou.

Forskarna testade den optoelektroniska prestandan hos n-i-p PSC:er baserat på Cu-elektroden och olika HTL:er. Genom de fotovoltaiska parametrarna, sade Zhou, kan mindre energiskillnad mellan HTL och Cu leda till högre kortslutningsströmtäthet (Jsc), medan mindre energiskillnad mellan perovskite och HTL kan leda till högre öppen kretsspänning (Voc). Slutligen kan den balanserade energiskillnaden mellan perovskite/HTL och HTL/Cu-gränssnitt leda till måttlig Jsc och Voc, särskilt högre fyllningsfaktor (FF), vilket så småningom bidrog till den förbättrade effektomvandlingseffektiviteten (PCE).

"Den bäst presterande n-i-p PSC med Cu-elektroden uppnådde en PCE på 20,10 % med Voc på 1,084 V och FF på 78,77 %," sa Zhou. "Enheterna uppvisade också god stabilitet, som kunde ligga kvar på 92 % av sin initiala PCE efter 1000 timmars lagring. Detta fynd utökar inte bara förståelsen för bandinriktningen av angränsande halvledarfunktionsskikt i enhetsarkitekturen för att förbättra den resulterande prestandan, men antyder också en stor potential för Cu-elektroden för tillämpning i PSCs gemenskap." + Utforska vidare

Lösningsmedelseffekt på filmbildning och enhetsprestanda för 2D Dion-Jacobson perovskite solceller