有机无机杂化太阳能电池中常见无机缓冲层材料的研究进展

doi:10.6023/A14100703

摘要/Abstract

有机无机杂化太阳能电池中, 电极缓冲层的选择对光电转换效率有着重要的影响. 理想的负极缓冲层兼具传输电子和阻挡空穴的作用, 而理想的正极缓冲层兼具传输空穴和阻挡电子的作用. 常见的无机电子传输材料主要有TiO₂和ZnO等, 而常见的无机空穴传输材料主要有CuI、CuSCN和NiO等. 本文就这些常见的无机缓冲层材料在有机无机杂化太阳能电池中的应用作一简要回顾, 并对其可能存在的问题进行了分析和评述.

关键词: 缓冲层, 有机无机杂化, 太阳能电池

Organic-Inorganic hybrid solar cells combine the advantages of organic and inorganic semiconductors, and possess promising application prospect. Although the active layer in hybrid solar cells is the most important, the electrode buffer layers, including cathode buffer layer and anode buffer layer, have a great influence on the power conversion efficiency (PCE) of the cells. Inorganic semiconductors are often used as the electrode buffer layers because of their high chemical stability, high carrier mobility, and high transparency. TiO₂ and ZnO are the most widely used inorganic electron transport layer materials while inorganic hole transport layer materials, such as CuI, CuSCN and NiO, have been applied frequently in organic-inorganic hybrid solar cells. Here, we briefly review the progress on inorganic buffer layer materials in hybrid solar cells.

Key words: buffer layer, organic-inorganic hybrid, solar cells

引用此文

叶森云, 刘志伟, 卞祖强, 黄春辉. 有机无机杂化太阳能电池中常见无机缓冲层材料的研究进展[J]. 化学学报, 2015, 73(3): 193-201.

Ye Senyun, Liu Zhiwei, Bian Zuqiang, Huang Chunhui. Research Progress on Inorganic Buffer Layer Materials in Organic-Inorganic Hybrid Solar Cells[J]. Acta Chim. Sinica, 2015, 73(3): 193-201.

导出引用 EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

分享此文

参考文献

[1] Cheng, C. H.; Wang, J.; Du, G. T.; Shi, S. H.; Du, Z. J.; Fan, Z. Q.; Bian, J. M.; Wang, M. S. Appl. Phys. Lett. 2010, 97, 083305.
[2] Ma, H.; Yip, H. L.; Huang, F.; Jen, A. K. Y. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 1371.
[3] Liu, Y. D.; Chu, B.; Su, Z. S.; Li, W. L.; Zhuang, T. J.; Jin, F. M.; Yan, X. W.; Zhao, B.; Zhang, F.; Fan, D.; Wang, J. B.; Gao, Y. Org. Electron. 2012, 13, 2865.
[4] Irwin, M. D.; Buchholz, B.; Hains, A. W.; Chang, R. P. H.; Marks, T. J. PNAS 2008, 105, 2783.
[5] Wright, M.; Uddin, A. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2012, 107, 87.
[6] Peumans, P.; Forrest, S. R. Appl. Phys. Lett. 2001, 79, 126.
[7] Hong, Z. R.; Huang, Z. H.; Zeng, X. T. Chem. Phys. Lett. 2006, 425, 62.
[8] Du, H. L.; Deng, Z. B.; Lu, Z. Y.; Chen, Z.; Zou, Y.; Yin, Y. H.; Xu, D. H.; Wang, Y. S. Thin Solid Films 2011, 519, 4357.
[9] Xu, Z. Q.; Yang, J. P.; Sun, F. Z.; Lee, S. T.; Li, Y. Q.; Tang, J. X. Org. Electron. 2012, 13, 697.
[10] Zhang, F. L.; Johansson, M.; Andersson, M. R.; Hummelen, J. C.; Inganas, O. Adv. Mater. 2002, 14, 662.
[11] Li, G.; Shrotriya, V.; Huang, J. S.; Yao, Y.; Moriarty, T.; Emery, K.; Yang, Y. Nat. Mater. 2005, 4, 864.
[12] Wu, S. J.; Li, J. H.; Lo, S. C.; Tai, Q. D.; Yan, F. Org. Electron. 2012, 13, 1569.
[13] Choi, S. H.; Song, H. J.; Park, I. K.; Yum, J. H.; Kim, S. S.; Lee, S. H.; Sung, Y. E. J. Photochem. Photobiol. A 2006, 179, 135.
[14] Barbot, A.; Lucas, B.; Di Bin, C.; Ratier, B.; Aldissi, M. Appl. Phys. Lett. 2013, 102, 193305.
[15] Sun, W. H.; Peng, H. T.; Li, Y. L.; Yan, W. B.; Liu, Z. W.; Bian, Z. Q.; Huang, C. H. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 16806.
[16] Chappaz-Gillot, C.; Berson, S.; Salazar, R.; Lechene, B.; Aldakov, D.; Delaye, V.; Guillerez, S.; Ivanova, V. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2014, 120, 163.
[17] Wang, Z. Y.; Lee, S. H.; Kim, D. H.; Kim, J. H.; Park, J. G. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2010, 94, 1591.
[18] Kuo, C. Y.; Tang, W. C.; Gau, C.; Guo, T. F.; Jeng, D. Z. Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 033307.
[19] Shrotriya, V.; Li, G.; Yao, Y.; Chu, C. W.; Yang, Y. Appl. Phys. Lett. 2006, 88, 073508.
[20] Lampande, R.; Kim, G. W.; Boizot, J.; Kim, Y. J.; Pode, R.; Kwon, J. H. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 6895.
[21] Chen, W.; Chen, Y. W.; Li, F.; Chen, L.; Yuan, K.; Yao, K.; Wang, P. S. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2012, 96, 266.
[22] Park, N. G.; van de Lagemaat, J.; Frank, A. J. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 8989.
[23] Wold, A. Chem. Mater. 1993, 5, 280.
[24] Tang, H.; Prasad, K.; Sanjines, R.; Schmid, P. E.; Levy, F. J. Appl. Phys. 1994, 75, 2042.
[25] Hendry, E.; Koeberg, M.; O'Regan, B.; Bonn, M. Nano Lett. 2006, 6, 755.
[26] Oregan, B.; Gratzel, M. Nature 1991, 353, 737.
[27] Nazeeruddin, M. K.; Kay, A.; Rodicio, I.; Humphrybaker, R.; Muller, E.; Liska, P.; Vlachopoulos, N.; Gratzel, M. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 6382.
[28] Gao, F.; Wang, Y.; Shi, D.; Zhang, J.; Wang, M. K.; Jing, X. Y.; Humphry-Baker, R.; Wang, P.; Zakeeruddin, S. M.; Gratzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 10720.
[29] Barbe, C. J.; Arendse, F.; Comte, P.; Jirousek, M.; Lenzmann, F.; Shklover, V.; Gratzel, M. J. Am. Ceram. Soc. 1997, 80, 3157.
[30] Yang, L.; Lin, Y.; Jia, J. G.; Xiao, X. R.; Li, X. P.; Zhou, X. W. J. Power Sources 2008, 182, 370.
[31] Adachi, M.; Murata, Y.; Takao, J.; Jiu, J. T.; Sakamoto, M.; Wang, F. M. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 14943.
[32] Law, M.; Greene, L. E.; Johnson, J. C.; Saykally, R.; Yang, P. D. Nat. Mater. 2005, 4, 455.
[33] Mor, G. K.; Shankar, K.; Paulose, M.; Varghese, O. K.; Grimes, C. A. Nano Lett. 2006, 6, 215.
[34] Liu, B.; Aydil, E. S. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 3985.
[35] Huang, Q. L.; Zhou, G.; Fang, L.; Hu, L. P.; Wang, Z. S. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 2145.
[36] Zhu, K.; Neale, N. R.; Miedaner, A.; Frank, A. J. Nano Lett. 2007, 7, 69.
[37] Liu, R. H.; Zhang, S.; Xia, X. Y.; Yun, D. Q.; Bian, Z. Q.; Zhao, Y. L. Acta Phys.-Chim. Sin. 2011, 27, 1701. (刘润花, 张森, 夏新元, 云大钦, 卞祖强, 赵永亮, 物理化学学报, 2011, 27, 1701.)
[38] Zhang, S.; Ji, C. Y.; Bian, Z. Q.; Liu, R. H.; Xia, X. Y.; Yun, D. Q.; Zhang, L. H.; Huang, C. H.; Cao, A. Y. Nano Lett. 2011, 11, 3383.
[39] Zhang, S.; Ji, C. Y.; Bian, Z. Q.; Yu, P. R.; Zhang, L. H.; Liu, D. Y.; Shi, E. Z.; Shang, Y. Y.; Peng, H. T.; Cheng, Q.; Wang, D.; Huang, C. H.; Cao, A. Y. ACS Nano 2012, 6, 7191.
[40] Arango, A. C.; Johnson, L. R.; Bliznyuk, V. N.; Schlesinger, Z.; Carter, S. A.; Horhold, H. H. Adv. Mater. 2000, 12, 1689.
[41] Lin, Y. Y.; Chu, T. H.; Chen, C. W.; Su, W. F. Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 053312.
[42] Liu, J. P.; Wang, S. S.; Bian, Z. Q.; Shan, M. N.; Huang, C. H. Chem. Phys. Lett. 2009, 470, 103.
[43] Kojima, A.; Teshima, K.; Shirai, Y.; Miyasaka, T. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6050.
[44] Lee, M. M.; Teuscher, J.; Miyasaka, T.; Murakami, T. N.; Snaith, H. J. Science 2012, 338, 643.
[45] Burschka, J.; Pellet, N.; Moon, S. J.; Humphry-Baker, R.; Gao, P.; Nazeeruddin, M. K.; Gratzel, M. Nature 2013, 499, 316.
[46] Liu, M. Z.; Johnston, M. B.; Snaith, H. J. Nature 2013, 501, 395.
[47] Zhou, H. P.; Chen, Q.; Li, G.; Luo, S.; Song, T. B.; Duan, H. S.; Hong, Z. R.; You, J. B.; Liu, Y. S.; Yang, Y. Science 2014, 345, 542.
[48] Hagfeldt, A.; Boschloo, G.; Sun, L. C.; Kloo, L.; Pettersson, H. Chem. Rev. 2010, 110, 6595.
[49] Look, D. C.; Reynolds, D. C.; Sizelove, J. R.; Jones, R. L.; Litton, C. W.; Cantwell, G.; Harsch, W. C. Solid State Commun. 1998, 105, 399.
[50] Keis, K.; Magnusson, E.; Lindstrom, H.; Lindquist, S. E.; Hagfeldt, A. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2002, 73, 51.
[51] Liu, X. Z.; Luo, Y. H.; Li, H.; Fan, Y. Z.; Yu, Z. X.; Lin, Y.; Chen, L. Q.; Meng, Q. B. Chem. Commun. 2007, 2847.
[52] Saito, M.; Fujihara, S. Energy Environ. Sci. 2008, 1, 280.
[53] Guo, M.; Diao, P.; Cai, S. M. Chin. Chem. Lett. 2004, 15, 1113.
[54] Quintana, M.; Edvinsson, T.; Hagfeldt, A.; Boschloo, G. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 1035.
[55] Beek, W. J. E.; Wienk, M. M.; Janssen, R. A. J. Adv. Mater. 2004, 16, 1009.
[56] Liu, J. P.; Wang, S. S.; Bian, Z. Q.; Shan, M.; Huang, C. H. Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 173107.
[57] Yun, D. Q.; Xia, X. Y.; Zhang, S.; Bian, Z. Q.; Liu, R. H.; Huang, C. H. Chem. Phys. Lett. 2011, 516, 92.
[58] Xia, X. Y. Ph.D. Dissertation, Peking University, Beijing, 2012. (夏新元, 博士论文, 北京大学, 北京, 2012.)
[59] Xia, X. Y.; Wang, S. S.; Jia, Y.; Bian, Z. Q.; Wu, D. H.; Zhang, L. H.; Cao, A. Y.; Huang, C. H. J. Mater. Chem. 2010, 20, 8478.
[60] Liu, D. Y.; Zhao, M. Y.; Li, Y.; Bian, Z. Q.; Zhang, L. H.; Shang, Y. Y.; Xia, X. Y.; Zhang, S.; Yun, D. Q.; Liu, Z. W.; Cao, A. Y.; Huang, C. H. ACS Nano 2012, 6, 11027.
[61] Liu, D. Y.; Li, Y.; Zhao, S. L.; Cao, A. Y.; Zhang, C. H.; Liu, Z. W.; Bian, Z. Q.; Liu, Z. F.; Huang, C. H. RSC Adv. 2013, 3, 13720.
[62] Liu, D. Y.; Kelly, T. L. Nat. Photonics 2014, 8, 133.
[63] Zhu, J. J.; Xu, Z. Q.; Fan, G. Q.; Lee, S. T.; Li, Y. Q.; Tang, J. X. Org. Electron. 2011, 12, 2151.
[64] Celik, D.; Krueger, M.; Veit, C.; Schleiermacher, H. F.; Zimmermann, B.; Allard, S.; Dumsch, I.; Scherf, U.; Rauscher, F.; Niyamakom, P. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2012, 98, 433.
[65] Hao, Y. Z.; Ma, J. X.; Sun, B.; Li, Y. P.; Ren, J. J. Acta Chim. Sinica 2010, 68, 33. (郝彦忠, 马洁霞, 孙宝, 李英品, 任聚杰, 化学学报, 2010, 68, 33.)
[66] Hao, Y. Z.; Fan, L. X.; Sun, B.; Sun, S.; Pei, J. Acta Chim. Sinica 2014, 72, 114. (郝彦忠, 范龙雪, 孙宝, 孙硕, 裴娟, 化学学报, 2014, 72, 114.)
[67] Kuwabara, T.; Nakamoto, M.; Kawahara, Y.; Yamaguchi, T.; Takahashi, K. J. Appl. Phys. 2009, 105, 124513.
[68] Chen, L.; Lai, J. S.; Fu, X. N.; Sun, J.; Ying, Z. F.; Wu, J. D.; Lu, H.; Xu, N. Thin Solid Films 2013, 529, 76.
[69] Liao, H. H.; Chen, L. M.; Xu, Z.; Li, G.; Yang, Y. Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 173303.
[70] Xu, M. F.; Liao, Y. J.; Zu, F. S.; Liang, J.; Yuan, D. X.; Wang, Z. K.; Liao, L. S. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 9400.
[71] Tan, Z. A.; Zhang, W. Q.; Zhang, Z. G.; Qian, D. P.; Huang, Y.; Hou, J. H.; Li, Y. F. Adv. Mater. 2012, 24, 1476.
[72] Tennakone, K.; Kumara, G. R. R. A.; Kottegoda, I. R. M.; Perera, V. P. S.; Aponsu, G. M. L. P.; Wijayantha, K. G. U. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 1998, 55, 283.
[73] Cheng, C. H.; Wang, J.; Du, G. T.; Shi, S. H.; Du, Z. J.; Fan, Z. Q.; Bian, J. M.; Wang, M. S. Appl. Phys. Lett. 2010, 97, 083305.
[74] Kokubun, Y.; Watanabe, H.; Wada, M. Jpn. J. Appl. Phys. 1971, 10, 864.
[75] Inudo, S.; Miyake, M.; Hirato, T. Phys. Status Solidi A 2013, 210, 2395.
[76] Kumara, G. R. A.; Kaneko, S.; Okuya, M.; Tennakone, K. Langmuir 2002, 18, 10493.
[77] Perera, V. P. S.; Tennakone, K. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2003, 79, 249.
[78] Tennakone, K.; Kumara, G. R. R. A.; Kumarasinghe, A. R.; Wijayantha, K. G. U.; Sirimanne, P. M. Semicond. Sci. Technol. 1995, 10, 1689.
[79] Tennakone, K.; Kumara, G. R. R. A.; Kottegoda, I. R. M.; Wijayantha, K. G. U.; Perera, V. P. S. J. Phys. D: Appl. Phys. 1998, 31, 1492.
[80] Sirimanne, P. M.; Jeranko, T.; Bogdanoff, P.; Fiechter, S.; Tributsch, H. Semicond. Sci. Technol. 2003, 18, 708.
[81] Kumara, G. R. A.; Konno, A.; Shiratsuchi, K.; Tsukahara, J.; Tennakone, K. Chem. Mater. 2002, 14, 954.
[82] Li, B.; Wang, L. D.; Kang, B. N.; Wang, P.; Qiu, Y. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2006, 90, 549.
[83] Meng, Q. B.; Takahashi, K.; Zhang, X. T.; Sutanto, I.; Rao, T. N.; Sato, O.; Fujishima, A.; Watanabe, H.; Nakamori, T.; Uragami, M. Langmuir 2003, 19, 3572.
[84] Shao, S. Y.; Liu, J.; Zhang, J. D.; Zhang, B. H.; Xie, Z. Y.; Geng, Y. H.; Wang, L. X. ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4, 5704.
[85] Christians, J. A.; Fung, R. C. M.; Kamat, P. V. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 758.
[86] Pattanasattayavong, P.; Ndjawa, G. O. N.; Zhao, K.; Chou, K. W.; Yaacobi-Gross, N.; O'Regan, B. C.; Amassian, A.; Anthopoulos, T. D. Chem. Commun. 2013, 49, 4154.
[87] Pattanasattayavong, P.; Yaacobi-Gross, N.; Zhao, K.; Ndjawa, G. O. N.; Li, J. H.; Yan, F.; O'Regan, B. C.; Amassian, A.; Anthopoulos, T., D. Adv. Mater. 2013, 25, 1504.
[88] O'Regan, B.; Schwartz, D. T. Chem. Mater. 1995, 7, 1349.
[89] O'Regan, B.; Schwartz, D. T. Chem. Mater. 1998, 10, 1501.
[90] Tennakone, K.; Kumara, G. R. R. A.; Kottegoda, I. R. M.; Perera, V. P. S.; Weerasundara, P. S. R. S. J. Photochem. Photobiol. A 1998, 117, 137.
[91] Kumara, G. R. R. A.; Konno, A.; Senadeera, G. K. R.; Jayaweera, P. V. V.; De Silva, D. B. R. A.; Tennakone, K. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2001, 69, 195.
[92] O'Regan, B.; Lenzmann, F.; Muis, R.; Wienke, J. Chem. Mater. 2002, 14, 5023.
[93] Takahashi, K.; Suzaka, S.; Sigeyama, Y.; Yamaguchi, T.; Nakamura, J.; Murata, K. Chem. Lett. 2007, 36, 762.
[94] Qin, P.; Tanaka, S.; Ito, S.; Tetreault, N.; Manabe, K.; Nishino, H.; Nazeeruddin, M. K.; Gratzel, M. Nat. Commun. 2014, 5, 3834.
[95] Dirksen, J. A.; Duval, K.; Ring, T. A. Sens. Actuators, B-Chem. 2001, 80, 106.
[96] Nandy, S.; Saha, B.; Mitra, M. K.; Chattopadhyay, K. K. J. Mater. Sci. 2007, 42, 5766.
[97] Wittenauer, M. A.; Vanzandt, L. L. Philos. Mag., Part B 1982, 46, 659.
[98] Patil, P. S.; Kadam, L. D. Appl. Surf. Sci. 2002, 199, 211.
[99] Guo, W.; Hui, K. N.; Hui, K. S. Mater. Lett. 2013, 92, 291.
[100] Berry, J. J.; Widjonarko, N. E.; Bailey, B. A.; Sigdel, A. K.; Ginley, D. S.; Olson, D. C. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2010, 16, 1649.
[101] He, J. J.; Lindstrom, H.; Hagfeldt, A.; Lindquist, S. E. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 8940.
[102] He, J. J.; Lindstrom, H.; Hagfeldt, A.; Lindquist, S. E. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2000, 62, 265.
[103] Nakasa, A.; Usami, H.; Sumikura, S.; Hasegawa, S.; Koyama, T.; Suzuki, E. Chem. Lett. 2005, 34, 500.
[104] Bandara, J.; Weerasinghe, H. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2005, 85, 385.
[105] Hu, L.; Peng, J.; Wang, W. W.; Xia, Z.; Yuan, J. Y.; Lu, J. L.; Huang, X. D.; Ma, W. L.; Song, H. B.; Chen, W.; Cheng, Y. B.; Tang, J. ACS Photonics 2014, 1, 547.
[106] Jeng, J. Y.; Chen, K. C.; Chiang, T. Y.; Lin, P. Y.; Tsai, T. D.; Chang, Y. C.; Guo, T. F.; Chen, P.; Wen, T. C.; Hsu, Y. J. Adv. Mater. 2014, 26, 4107.
[107] Fan, X.; Cui, C. H.; Fang, G. J.; Wang, J. Z.; Li, S. Z.; Cheng, F.; Long, H.; Li, Y. F. Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 585.
[108] Cheng, F.; Fang, G. J.; Fan, X.; Liu, N. S.; Sun, N. H.; Qin, P. L.; Zheng, Q.; Wan, J. W.; Zhao, X. Z. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2011, 95, 2914.
[109] Teran-Escobar, G.; Pampel, J.; Caicedo, J. M.; Lira-Cantu, M. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 3088.
[110] Tan, Z. A.; Li, L. J.; Cui, C. H.; Ding, Y. Q.; Xu, Q.; Li, S. S.; Qian, D. P.; Li, Y. F. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 18626.