NbSe2纳米片优化钙钛矿太阳能电池的埋底界面

doi:10.3866/PKU.WHXB202407025

物理化学学报 >> 2025, Vol. 41 >> Issue (3): 100029.doi: 10.3866/PKU.WHXB202407025

所属专题：新型光电功能材料

论文上一篇

NbSe₂纳米片优化钙钛矿太阳能电池的埋底界面

董鹏宇¹, 姜月¹^,*(), 杨正池¹, 刘立城¹, 李固¹, 文鑫洋¹, 王祯¹^,*(), 施信波², 周国富³, 刘俊明⁴, 高进伟⁵^,¹^,*()

¹ 华南师范大学, 华南先进光电子研究院, 先进材料研究所, 广州 510006
² 链行走新材料科技(广州)有限公司, 广州 511462
³ 华南师范大学, 华南先进光电子研究院, 广东省光信息材料与技术重点实验室暨电子纸显示器研究所, 广州 510006
⁴ 南京大学固体微结构实验室, 南京 210093
⁵ 赣南师范大学物理与电子信息学院, 先进光电子研究中心, 江西赣州 341000

收稿日期:2024-07-26 修回日期:2024-08-21 录用日期:2024-08-30 发布日期:2024-12-14
通讯作者: Email: yuejiang@m.scnu.edu.cn (姜月)zhenwang@m.scnu.edu.cn (王祯)gaojinwei@m.scnu.edu.cn (高进伟)
基金资助:
国家自然科学基金(52472193); 国家自然科学基金(62105124); 广东省基础与应用基础研究基金(2022A1515010264); 广东省基础与应用基础研究基金(2022B1515120006); 广州市科技计划(202201000008); 中国博士后科学基金(2022M721215)

NbSe₂ Nanosheets Improved the Buried Interface for Perovskite Solar Cells

Pengyu Dong¹, Yue Jiang¹^,*(), Zhengchi Yang¹, Licheng Liu¹, Gu Li¹, Xinyang Wen¹, Zhen Wang¹^,*(), Xinbo Shi², Guofu Zhou³, Jun-Ming Liu⁴, Jinwei Gao⁵^,¹^,*()

¹ Institute for Advanced Materials, South China Academy of Advanced Optoelectronics, South China Normal University, Guangzhou 510006, China
² Chain Walking New Material Technology (Guangzhou) Co. LTD., Guangzhou 511462, China
³ Guangdong Provincial Key Laboratory of Optical Information Materials and Technology & Institute of Electronic Paper Displays, South China Academy of Advanced Optoelectronics, South China Normal University, Guangzhou 510006, China
⁴ Laboratory of Solid State Microstructures, Nanjing University, Nanjing 210093, China
⁵ Centre for Advanced Optoelectronics, School of Physics and Electronic Information, Gannan Normal University, Ganzhou 341000, Jiangxi Province, China

Received:2024-07-26 Revised:2024-08-21 Accepted:2024-08-30 Published:2024-12-14
Contact: Email: yuejiang@m.scnu.edu.cn (Yue Jiang)zhenwang@m.scnu.edu.cn (Zhen Wang)gaojinwei@m.scnu.edu.cn (Jinwei Gao)
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52472193); National Natural Science Foundation of China(62105124); the Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2022A1515010264); the Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2022B1515120006); the Science and Technology Programs of Guangzhou(202201000008); the China Postdoctoral Science Foundation(2022M721215)

1. WHXB202407025-SI-4p.pdf(1917KB)

摘要/Abstract

摘要：

有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSC)因其优异的光伏性能和低成本制造工艺成为下一代太阳能电池的有利候选者。其中，氧化锡(SnO₂)具有优异电荷迁移率和电子提取效率，广泛用作钙钛矿太阳电池的电子传输层(ETL)，相应的n-i-p型单结钙钛矿器件已获得高达26.21%的认证效率。SnO₂层作为钙钛矿薄膜生长的基底，对钙钛矿埋底界面的形成和薄膜的结晶质量起着决定性作用。然而，由于SnO₂和钙钛矿的热膨胀系数存在差异，在后续的退火过程不可避免地会在钙钛矿薄膜中产生残余应力导致晶格畸变，这严重影响了电池的光电性能和稳定性。针对残余应力释放问题，研究人员将不同的聚合物和小分子作为缓冲层应用于SnO₂/钙钛矿界面，并取得了一些进展。而与这些绝缘材料相比，二维(2D)纳米片具有高载流子迁移率、宽带隙和优异光吸收性能等特性，是很有前景的界面材料。尤其，2D NbSe₂纳米片具有溶液可加工性、高固有电导率以及干净光滑表面(即没有悬空键)等优点。因此，本工作在SnO₂/钙钛矿界面引入2D NbSe₂纳米片以释放钙钛矿薄膜中的残余拉伸应变，并构建更匹配的能级排列结构。最终，我们制备出了高质量的钙钛矿薄膜，并将钙钛矿太阳能电池效率从21.81%提高到24.05%。另外，文本的未封装电池在大气条件下老化1000 h后，仍保持了91%的初始效率。

关键词: 钙钛矿太阳能电池, 二维材料, 应变释放, 能级排列

Abstract:

Organic-inorganic metal halide perovskite solar cells (PSCs) are favorable candidates for next-generation solar cells, due to their excellent photovoltaic performance and promising low-cost fabrication process. Particularly, tin oxide (SnO₂), with excellent charge mobility and extraction efficiency, is widely used as electron transport layers (ETLs), and the efficiency of the corresponding n-i-p-type perovskites has been certified as high as 26.21% in single-junction devices. The SnO₂ layer serves as the substrate for the growth of perovskite films, determining the crystalline quality and the buried interface of perovskite films. However, due to the different thermal expansion coefficient of SnO₂ and perovskite, the subsequent perovskite annealing process leads to the residual stress at the buried interfaces and lattice distortion in the perovskite films, which seriously affects their optoelectronic performance and stability. To release this interfacial stress, researchers have made some progress by applying different polymers and small molecules to the SnO₂/perovskite interface as a buffer layer. Among these, two-dimensional (2D) nanosheets with high carrier mobility, a wide bandgap range, and excellent optical absorption properties are promising, especially 2D NbSe₂ nanosheets showing the advantages of solution-processability, high intrinsic conductivity and clean smooth surface, namely without dangling bonded atoms. Herein, 2D NbSe₂ nanosheets have been introduced at the SnO₂/perovskite interface to release the undesired residual tensile strain in perovskite films and to form a more matched interfacial energy level alignment. As a result, we have obtained a high-quality perovskite film and further an improved photovoltaic performance. The PCE has been increased from 21.81% to 24.05%. The unencapsulated cell maintained 91% of the initial efficiency after aging over 1000 h under atmospheric condition.

Key words: Perovskite solar cells, Two-dimensional material, Strain relief, Cascade energy alignment

董鹏宇, 姜月, 杨正池, 刘立城, 李固, 文鑫洋, 王祯, 施信波, 周国富, 刘俊明, 高进伟. NbSe₂纳米片优化钙钛矿太阳能电池的埋底界面[J]. 物理化学学报, 2025, 41(3), 100029. doi: 10.3866/PKU.WHXB202407025

Pengyu Dong, Yue Jiang, Zhengchi Yang, Licheng Liu, Gu Li, Xinyang Wen, Zhen Wang, Xinbo Shi, Guofu Zhou, Jun-Ming Liu, Jinwei Gao. NbSe₂ Nanosheets Improved the Buried Interface for Perovskite Solar Cells[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2025, 41(3), 100029. doi: 10.3866/PKU.WHXB202407025

链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202407025

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2025/V41/I3/100029

图/表 5

图1

图2

图3

图4

图5

参考文献 51

1	Shi P.; Ding Y.; Ding B.; Xing Q.; Kodalle T.; Sutter-Fella C. M.; Yavuz I.; Yao C.; Fan W.; Xu J.; et al Nature 2023, 620, 323. doi: 10.1038/s41586-023-06208-z
2	Yu S.; Xiong Z.; Zhou H.; Zhang Q.; Wang Z.; Ma F.; Qu Z.; Zhao Y.; Chu X.; Zhang X.; et al Science 2023, 382, 1399. doi: 10.1126/science.adj8858
3	Li Z.; Li B.; Wu X.; Sheppard S. A.; Zhang S.; Gao D.; Long N. J.; Zhu Z. Science 2022, 376, 416. doi: 10.1126/science.abm8566
4	Wang M.; Shi Z.; Fei C.; Deng Z. J. D.; Yang G.; Dunfield S. P.; Fenning D. P.; Huang J. Nat. Energy 2023, 8, 1229. doi: 10.1038/s41560-023-01362-0
5	Liang Z.; Zhang Y.; Xu H.; Chen W.; Liu B.; Zhang J.; Zhang H.; Wang Z.; Kang D.-H.; Zeng J.; et al Nature 2023, 624, 557. doi: 10.1038/s41586-023-06784-0
6	Zhao Y.; Ma F.; Qu Z.; Yu S.; Shen T.; Deng H.-X.; Chu X.; Peng X.; Yuan Y.; Zhang X.; et al Science 2022, 377, 531. doi: 10.1126/science.abp8873
7	Liu C.; Yang Y.; Chen H.; Xu J.; Liu A.; Bati A. S. R.; Zhu H.; Grater L.; Hadke S. S.; Huang C.; et al Science 2023, 382, 810. doi: 10.1126/science.adk1633
8	AhmedY.; 封想想; 高远基; 丁洋; 龙操玉; HaiderM.; 李恒月; 李专; 黄誓成; SaidaminovM. I.; 等. 物理化学学报, 2024, 40, 2303057. doi: 10.3866/PKU.WHXB202303057
	Ahmed Y.; Feng X.; Gao Y.; Ding Y.; Long C.; Haider M.; Li H.; Li Z.; Huang S.; Saidaminov M. I.; et al Acta Phys. -Chim. Sin. 2024, 40, 2303057.
9	文永涛; 李静; 高晓峰; 田聪聪; 朱昊; 余国木; 张晓俐; ParkH.; 黄福志. 物理化学学报, 2023, 39, 2203048. doi: 10.3866/PKU.WHXB202203048
	Wen Y.; Li J.; Gao X.; Tian C.; Zhu H.; Yu G.; Zhang X.; Park H.; Huang F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39, 2203048.
10	Zhou J.; Tan L.; Liu Y.; Li H.; Liu X.; Li M.; Wang S.; Zhang Y.; Jiang C.; Hua R.; et al Joule 2024, 8, 1691. doi: 10.1016/j.joule.2024.02.019
11	Singh M.; Ng A.; Ren Z.; Hu H.; Lin H.-C.; Chu C.-W.; Li G. Nano Energy 2019, 60, 275. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.03.044
12	Ning L.; Zha L.; Duan R.; Gu N.; Du P.; Song L.; Chen W.-H.; Xiong J. Chem. Eng. J. 2023, 471, 144279. doi: 10.1016/j.cej.2023.144279
13	Chen J.; Zhang J.; Huang C.; Bi Z.; Xu X.; Yu H. Chem. Eng. J. 2021, 410, 128436. doi: 10.1016/j.cej.2021.128436
14	Chen S.; Xiao X.; Chen B.; Kelly L. L.; Zhao J.; Lin Y.; Toney M. F.; Huang J. Sci. Adv. 2021, 7, eabb2412. doi: 10.1126/sciadv.abb2412
15	Luo C.; Zheng G.; Gao F.; Wang X.; Zhan C.; Gao X.; Zhao Q. Nat. Photonics 2023, 17, 856. doi: 10.1038/s41566-023-01247-4
16	Rolston N.; Bush K. A.; Printz A. D.; Gold-Parker A.; Ding Y.; Toney M. F.; McGehee M. D.; Dauskardt R. H. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1802139. doi: 10.1002/aenm.201802139
17	Meng Y.; Liu C.; Cao R.; Zhang J.; Xie L.; Yang M.; Xie L.; Wang Y.; Yin X.; Liu C.; et al Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2214788. doi: 10.1002/adfm.202214788
18	Wu J.; Cui Y.; Yu B.; Liu K.; Li Y.; Li H.; Shi J.; Wu H.; Luo Y.; Li D.; et al Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1905336. doi: 10.1002/adfm.201905336
19	Bi H.; Liu B.; He D.; Bai L.; Wang W.; Zang Z.; Chen J. Chem. Eng. J. 2021, 418, 129375. doi: 10.1016/j.cej.2021.129375
20	Zhou Q.; Duan J.; Yang X.; Duan Y.; Tang Q. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 21997. doi: 10.1002/anie.202010252
21	Murphy D. W.; Di Salvo F. J.; Hull G. W.; J r.; Waszczak J. V. Inorg. Chem. 1976, 15, 17. doi: 10.1021/ic50155a005
22	Novoselov K. S.; Jiang D.; Schedin F.; Booth T. J.; Khotkevich V. V.; Morozov S. V.; Geim A. K. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 10451. doi: 10.1073/pnas.0502848102
23	Xi X.; Wang Z.; Zhao W.; Park J.-H.; Law K. T.; Berger H.; Forró L.; Shan J.; Mak K. F. Nat. Phys. 2016, 12, 139. doi: 10.1038/nphys3538
24	Novoselov K. S.; Mishchenko A.; Carvalho A.; Castro Neto A. H. Science 2016, 353, aac9439. doi: 10.1126/science.aac9439
25	Gu X.; Cui W.; Song T.; Liu C.; Shi X.; Wang S.; Sun B. ChemSusChem 2014, 7, 416. doi: 10.1002/cssc.201300615
26	Kang B.-H.; Lee D.-K.; Kim D.-S.; Hur O.-N.; Lee C.-S.; Bae J.; Park S.-H. Appl. Surf. Sci. 2023, 637, 157954. doi: 10.1016/j.apsusc.2023.157954
27	Huang Y. H.; Chen R. S.; Zhang J. R.; Huang Y. S. Nanoscale 2015, 7, 18964. doi: 10.1039/C5NR05430C
28	Staley N. E.; Wu J.; Eklund P.; Liu Y.; Li L.; Xu Z. Phys. Rev. B 2009, 80, 184505. doi: 10.1103/PhysRevB.80.184505
29	Lee C.; Yan H.; Brus L. E.; Heinz T. F.; Hone J.; Ryu S. ACS Nano 2010, 4, 2695. doi: 10.1021/nn1003937
30	Molina-Sánchez A.; Wirtz L. Phys. Rev. B 2011, 84, 155413. doi: 10.1103/PhysRevB.84.155413
31	Luo X.; Zhao Y.; Zhang J.; Xiong Q.; Quek S. Y. Phys. Rev. B 2013, 88, 075320. doi: 10.1103/PhysRevB.88.075320
32	Manzeli S.; Ovchinnikov D.; Pasquier D.; Yazyev O. V.; Kis A. Nat. Rev. Mater. 2017, 2, 17033. doi: 10.1038/natrevmats.2017.33
33	Zhang W.; Liu H.; Qu Y.; Cui J.; Zhang W.; Shi T.; Wang H.-L. Adv. Mater. 2024, 36, 2309193. doi: 10.1002/adma.202309193
34	Ma C.; Kang M.-C.; Lee S.-H.; Kwon S. J.; Cha H.-W.; Yang C.-W.; Park N.-G. Joule 2022, 6, 2626. doi: 10.1016/j.joule.2022.09.012
35	Yang H.; Hao Y.; Ren J.; Wu Y.; Sun Q.; Zhang C.; Cui Y.; Hao Y. J. Mater. Chem. C 2023, 11, 8470. doi: 10.1039/D3TC01076G
36	Fu J.; Zhang J.; Zhang T.; Yuan L.; Zhang Z.; Jiang Z.; Huang Z.; Wu T.; Yan K.; Zhang L.; et al ACS Nano 2023, 17, 2802. doi: 10.1021/acsnano.2c11091
37	Wang H.; Zhu C.; Liu L.; Ma S.; Liu P.; Wu J.; Shi C.; Du Q.; Hao Y.; Xiang S.; et al Adv. Mater. 201+, 31, 1904408. doi: 10.1002/adma.201904408
38	Zheng Z.; Li F.; Gong J.; Ma Y.; Gu J.; Liu X.; Chen S.; Liu M. Adv. Mater. 2022, 34, 2109879. doi: 10.1002/adma.202109879
39	Li X.; Ying Z.; Zheng J.; Wang X.; Chen Y.; Wu M.; Xiao C.; Sun J.; Shou C.; Yang Z.; et al Adv. Mater. 2023, 35, 2211962. doi: 10.1002/adma.202211962
40	Guo J.; Meng G.; Zhang X.; Huang H.; Shi J.; Wang B.; Hu X.; Yuan J.; Ma W. Adv. Mater. 2023, 35, 2302839. doi: 10.1002/adma.202302839
41	Wang Z.; Cai B.; Ren Y.; Wang W.; Feng L.; Zhang S.; Wang Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 19674. doi: 10.1021/acsami.0c03044
42	Liu H.; Han H.; Xu J.; Pan X.; Zhao K.; Liu S.; Yao J. Adv. Mater. 2023, 35, 2300302. doi: 10.1002/adma.202300302
43	Zhu C.; Niu X.; Fu Y.; Li N.; Hu C.; Chen Y.; He X.; Na G.; Liu P.; Zai H.; et al Nat. Commun. 2019, 10, 815. doi: 10.1038/s41467-019-08507-4
44	Dailey M.; Li Y.; Printz A. D. ACS Omega 2021, 6, 30214. doi: 10.1021/acsomega.1c04814
45	Kim M.; Jeong J.; Lu H.; Lee T. K.; Eickemeyer F. T.; Liu Y.; Choi I. W.; Choi S. J.; Jo Y.; Kim H.-B.; et al Science 2022, 375, 302. doi: 10.1126/science.abh1885
46	Bredar A. R. C.; Chown A. L.; Burton A. R.; Farnum B. H. ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 66. doi: 10.1021/acsaem.9b01965
47	Yang Z.; Jiang Y.; Wang Y.; Li G.; You Q.; Wang Z.; Gao X.; Lu X.; Shi X.; Zhou G.; et al Small 2023, 9, 2307186. doi: 10.1002/smll.202307186
48	Li G.; Wang Z.; Wang Y.; Yang Z.; Dong P.; Feng Y.; Jiang Y.; Feng S.-P.; Zhou G.; Liu J.-M.; et al Small 2023, 19, 2301323. doi: 10.1002/smll.202301323
49	Guo H.; Chen H.; Zhang H.; Huang X.; Yang J.; Wang B.; Li Y.; Wang L.; Niu X.; Wang Z. Nano Energy 2019, 59, 1. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.01.059
50	Singh R.; Giri A.; Pal M.; Thiyagarajan K.; Kwak J.; Lee J.-J.; Jeong U.; Cho K. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 7151. doi: 10.1039/C8TA12254G
51	Wang Y.; Yang C.; Wang Z.; Li G.; Yang Z.; Wen X.; Hu X.; Jiang Y.; Feng S.-P.; Chen Y.; et al Small 2023, 14, 2306954. doi: 10.1002/smll.202306954

[1]	刘彬彬, 陈杨, 贾天赐, 陈辰, 吴章豪, 刘毓辉, 翟宇航, 马天舒, 王长擂. 羟基功能化分子工程消除二维相壁垒实现高效宽带隙及全钙钛矿叠层太阳能电池[J]. 物理化学学报, 2026, 42(1): 100128 - .
[2]	刘华艳, 陈逸飞, 杨梦召, 顾佳俊. 二维材料基超级电容器的容量与倍率性能提升策略[J]. 物理化学学报, 2025, 41(6): 100063 - .
[3]	贺梦菲, 陈超, 唐月, 孟思, 王遵法, 王立煜, 行家宝, 张欣宇, 黄佳慧, 卢江波, 井红梅, 刘翔宇, 徐华. 外延生长具有厚度可调导电属性的非层状二维碲化锰纳米片用于p-型场效应晶体管和优异的接触电极[J]. 物理化学学报, 2025, 41(2): 100016 - .
[4]	秦春玲, 陈爽, GomaaHassanien, ShenashenMohamed A., El-SaftySherif A., 刘倩, 安翠华, 刘熙俊, 邓齐波, 胡宁. 外加物理场调控二维材料的HER和OER性能[J]. 物理化学学报, 2024, 40(9): 2307059 - .
[5]	蔡宇珊, 肖方兴. MXenes基光催化剂的进展、挑战和展望[J]. 物理化学学报, 2024, 40(8): 2306048 - .
[6]	AhmedYameen, 封想想, 高远基, 丁洋, 龙操玉, HaiderMustafa, 李恒月, 李专, 黄誓成, SaidaminovMakhsud I., 阳军亮. 离子液体界面修饰的高效稳定FAPbI₃钙钛矿太阳能电池[J]. 物理化学学报, 2024, 40(6): 2303057 - .
[7]	文永涛, 李静, 高晓峰, 田聪聪, 朱昊, 余国木, 张晓俐, Park Hyesung, 黄福志. 控制碘化铅形貌两步连续刮涂法大面积制备甲脒基钙钛矿薄膜[J]. 物理化学学报, 2023, 39(2): 2203048 -0 .
[8]	林凯风, 钟叮, 邵嘉惠, 刘开辉, 王金焕, 左勇刚, 周旭. 二维材料复合光纤调制器件研究进展[J]. 物理化学学报, 2023, 39(10): 2306026 - .
[9]	曹晓辉, 侯成义, 李耀刚, 李克睿, 张青红, 王宏志. 基于MXenes的功能纤维的制备及其在智能可穿戴领域的应用[J]. 物理化学学报, 2022, 38(9): 2204058 - .
[10]	卢岳, 葛杨, 隋曼龄. 紫外光辐照下CH₃NH₃PbI₃基钙钛矿太阳能电池失效机制[J]. 物理化学学报, 2022, 38(5): 2007088 - .
[11]	查吴送, 张连萍, 文龙, 康嘉晨, 骆群, 陈沁, 杨上峰, 马昌期. 溶剂工程调控钙钛矿薄膜中PbI₂和PbI₂(DMSO)的形成[J]. 物理化学学报, 2022, 38(3): 2003022 - .
[12]	宋沛泉, 谢立强, 沈莉娜, 刘凯凯, 梁玉明, 林克斌, 卢建勋, 田成波, 魏展画. 电泳法制备的致密氧化锡薄膜及其在高稳定性钙钛矿太阳能电池中的应用[J]. 物理化学学报, 2021, 37(4): 2004038 - .
[13]	许桂英, 薛荣明, 张默瑶, 李耀文, 李永舫. 基于吡嗪空穴传输层的合成及在p -i-n型钙钛矿太阳能电池中的应用[J]. 物理化学学报, 2021, 37(4): 2008050 - .
[14]	王云飞, 刘建华, 于美, 钟锦岩, 周琪森, 邱俊明, 张晓亮. SnO₂表面卤化提高钙钛矿太阳能电池光伏性能[J]. 物理化学学报, 2021, 37(3): 2006030 - .
[15]	阙海峰, 江华宁, 王兴国, 翟朋博, 孟令佳, 张鹏, 宫勇吉. 二维材料范德华间隙的利用[J]. 物理化学学报, 2021, 37(11): 2010051 - .

NbSe₂纳米片优化钙钛矿太阳能电池的埋底界面

NbSe₂ Nanosheets Improved the Buried Interface for Perovskite Solar Cells

RichHTML

PDF

赞

补充材料

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 5

参考文献 51

相关文章 15

Metrics

推荐阅读 0