Research Progress on Inorganic Buffer Layer Materials in Organic-Inorganic Hybrid Solar Cells

doi:10.6023/A14100703

Abstract

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

Cite this article

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.

Export EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

share this article

References

[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.

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