Please wait a minute...
Frontiers of Optoelectronics

ISSN 2095-2759

ISSN 2095-2767(Online)

CN 10-1029/TN

邮发代号 80-976

Frontiers of Optoelectronics  2017, Vol. 10 Issue (2): 103-110   https://doi.org/10.1007/s12200-017-0716-6
  本期目录
Hole-transporting layer-free inverted planar mixed lead-tin perovskite-based solar cells
Yuqin LIAO1,2,3, Xianyuan JIANG2,3, Wenjia ZHOU2, Zhifang SHI2,3, Binghan LI2,3, Qixi MI2, Zhijun NING2()
1. Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China
2. School of Physical Science and Technology, ShanghaiTech University, Shanghai 201210, China
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
 全文: PDF(401 KB)   HTML
Abstract

Mixed lead-tin (Pb-Sn) perovskites present a promising strategy to extend the light-harvesting range of perovskite-based solar cells (PSCs). The use of electron-transporting layer or hole-transporting layer (HTL) is critical to achieve high device efficiency. This strategy, however, requires tedious layer-by-layer fabrication as well as high-temperature annealing for certain oxides. In this work, we fabricated HTL-free planar FAPb0.5Sn0.5I3 PSCs with the highest efficiency of 7.94%. High short-circuit current density of 23.13 mA/cm2 was attained, indicating effective charge extraction at the ITO/FAPb0.5Sn0.5I3 interface. This finding provides an alternative strategy to simplify the manufacture of single-junction or tandem PSCs.

Key wordssolar cell    perovskite    hole-transporting layer (HTL)    interface engineering
收稿日期: 2017-03-28      出版日期: 2017-07-05
Corresponding Author(s): Zhijun NING   
 引用本文:   
. [J]. Frontiers of Optoelectronics, 2017, 10(2): 103-110.
Yuqin LIAO, Xianyuan JIANG, Wenjia ZHOU, Zhifang SHI, Binghan LI, Qixi MI, Zhijun NING. Hole-transporting layer-free inverted planar mixed lead-tin perovskite-based solar cells. Front. Optoelectron., 2017, 10(2): 103-110.
 链接本文:  
https://academic.hep.com.cn/foe/CN/10.1007/s12200-017-0716-6
https://academic.hep.com.cn/foe/CN/Y2017/V10/I2/103
FAPb1−xSnxI300.250.500.751.00
band gap from absorption/eV1.4901.3101.270
band gap from PL/eV1.5071.3551.2861.2821.400
Tab.1  
Fig.1  
Fig.2  
Fig.3  
Fig.4  
1 Sun S, Salim T, Mathews N, Duchamp M, Boothroyd C, Xing G, Sum T C, Lam Y M. The origin of high efficiency in low-temperature solution-processable bilayer organometal halide hybrid solar cells. Energy & Environmental Science, 2014, 7(1): 399–407
https://doi.org/10.1039/C3EE43161D
2 Park N G. Perovskite solar cells: an emerging photovoltaic technology. Materials Today, 2015, 18(2): 65–72
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2014.07.007
3 Ishihara T. Optical properties of PbI-based perovskite structures. Journal of Luminescence, 1994, 60–61: 269–274
https://doi.org/10.1016/0022-2313(94)90145-7
4 Zhang W, Saliba M, Stranks S D, Sun Y, Shi X, Wiesner U, Snaith H J. Enhancement of perovskite-based solar cells employing core-shell metal nanoparticles. Nano Letters, 2013, 13(9): 4505–4510
https://doi.org/10.1021/nl4024287 pmid: 23947387
5 Wehrenfennig C, Eperon G E, Johnston M B, Snaith H J, Herz L M. High charge carrier mobilities and lifetimes in organolead trihalide perovskites. Advanced Materials, 2014, 26(10): 1584–1589
https://doi.org/10.1002/adma.201305172 pmid: 24757716
6 Ponseca C S Jr, Savenije T J, Abdellah M, Zheng K, Yartsev A, Pascher T, Harlang T, Chabera P, Pullerits T, Stepanov A, Wolf J P, Sundström V. Organometal halide perovskite solar cell materials rationalized: ultrafast charge generation, high and microsecond-long balanced mobilities, and slow recombination. Journal of the American Chemical Society, 2014, 136(14): 5189–5192
https://doi.org/10.1021/ja412583t pmid: 24654882
7 Stranks S D, Eperon G E, Grancini G, Menelaou C, Alcocer M J P, Leijtens T, Herz L M, Petrozza A, Snaith H J. Electron-hole diffusion lengths exceeding 1 micrometer in an organometal trihalide perovskite absorber. Science, 2013, 342(6156): 341–344
https://doi.org/10.1126/science.1243982 pmid: 24136964
8 Xing G, Mathews N, Sun S, Lim S S, Lam Y M, Grätzel M, Mhaisalkar S, Sum T C. Long-range balanced electron- and hole-transport lengths in organic-inorganic CH3NH3PbI3. Science, 2013, 342(6156): 344–347
https://doi.org/10.1126/science.1243167 pmid: 24136965
9 Dong Q, Fang Y, Shao Y, Mulligan P, Qiu J, Cao L, Huang J. Electron-hole diffusion lengths>175  mm in solution-grown CH3NH3PbI3 single crystals. Science, 2015, 347(6225): 967–970
https://doi.org/10.1126/science.aaa5760 pmid: 25636799
10 Green M A, Ho-Baillie A, Snaith H J. The emergence of perovskite solar cells. Nature Photonics, 2014, 8(7): 506–514
https://doi.org/10.1038/nphoton.2014.134
11 Snaith H J. Perovskites: the emergence of a new era for low-cost, high-efficiency solar cells. Journal of Physical Chemistry Letters, 2013, 4(21): 3623–3630
https://doi.org/10.1021/jz4020162
12 Liu M, Johnston M B, Snaith H J. Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition. Nature, 2013, 501(7467): 395–398
https://doi.org/10.1038/nature12509 pmid: 24025775
13 Kojima A, Teshima K, Shirai Y, Miyasaka T. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. Journal of the American Chemical Society, 2009, 131(17): 6050–6051
https://doi.org/10.1021/ja809598r pmid: 19366264
14 Solar cell efficiency table, ;  accessed: April 2016
15 Yang W S, Noh J H, Jeon N J, Kim Y C, Ryu S, Seo J, Seok S I. High-performance photovoltaic perovskite layers fabricated through intramolecular exchange. Science, 2015, 348(6240): 1234–1237
https://doi.org/10.1126/science.aaa9272 pmid: 25999372
16 Shockley W, Queisser H J. Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells. Journal of Applied Physics, 1961, 32(3): 510–519
https://doi.org/10.1063/1.1736034
17 Zhao D, Yu Y, Wang C, Liao W, Shrestha N, Grice C R, Cimaroli A J, Guan L, Ellingson R J, Zhu K, Zhao X, Xiong R G, Yan Y. Low-bandgap mixed tin–lead iodide perovskite absorbers with long carrier lifetimes for all-perovskite tandem solar cells. Nature Energy, 2017, 2: 17018
https://doi.org/10.1038/nenergy.2017.18
18 Lee M M, Teuscher J, Miyasaka T, Murakami T N, Snaith H J. Efficient hybrid solar cells based on meso-superstructured organometal halide perovskites. Science, 2012, 338(6107): 643–647
https://doi.org/10.1126/science.1228604 pmid: 23042296
19 Eperon G E, Burlakov V M, Docampo P, Goriely A, Snaith H J. Morphological control for high performance, solution-processed planar heterojunction perovskite solar cells. Advanced Functional Materials, 2014, 24(1): 151–157
https://doi.org/10.1002/adfm.201302090
20 Liu D, Kelly T L. Perovskite solar cells with a planar heterojunction structure prepared using room-temperature solution processing techniques. Nature Photonics, 2013, 8(2): 133–138
https://doi.org/10.1038/nphoton.2013.342
21 Zhou H, Chen Q, Li G, Luo S, Song T B, Duan H S, Hong Z, You J, Liu Y, Yang Y. Interface engineering of highly efficient perovskite solar cells. Science, 2014, 345(6196): 542–546
https://doi.org/10.1126/science.1254050 pmid: 25082698
22 Jeng J Y, Chiang Y F, Lee M H, Peng S R, Guo T F, Chen P, Wen T C. CH3NH3PbI3 perovskite/fullerene planar-heterojunction hybrid solar cells. Advanced Materials, 2013, 25(27): 3727–3732
https://doi.org/10.1002/adma.201301327 pmid: 23775589
23 Nie W, Tsai H, Asadpour R, Blancon J C, Neukirch A J, Gupta G, Crochet J J, Chhowalla M, Tretiak S, Alam M A, Wang H L, Mohite A D. High-efficiency solution-processed perovskite solar cells with millimeter-scale grains. Science, 2015, 347(6221): 522–525
https://doi.org/10.1126/science.aaa0472 pmid: 25635093
24 Heo J H, Han H J, Kim D, Ahn T K, Im S H. Hysteresis-less inverted CH3NH3PbI3 planar perovskite hybrid solar cells with 18.1% power conversion efficiency. Energy & Environmental Science, 2015, 8(5): 1602–1608
https://doi.org/10.1039/C5EE00120J
25 Wang J T W, Wang Z, Pathak S, Zhang W, deQuilettes D W, Wisnivesky-Rocca-Rivarola F, Huang J, Nayak P K, Patel J B, Mohd Yusof H A, Vaynzof Y, Zhu R, Ramirez I, Zhang J, Ducati C, Grovenor C, Johnston M B, Ginger D S, Nicholas R J, Snaith H J. Efficient perovskite solar cells by metal ion doping. Energy & Environmental Science, 2016, 9(9): 2892–2901
https://doi.org/10.1039/C6EE01969B
26 Liu L, Mei A, Liu T, Jiang P, Sheng Y, Zhang L, Han H. Fully printable mesoscopic perovskite solar cells with organic silane self-assembled monolayer. Journal of the American Chemical Society, 2015, 137(5): 1790–1793
https://doi.org/10.1021/ja5125594 pmid: 25594109
27 Yang Y, Ri K, Mei A, Liu L, Hu M, Liu T, Li X, Han H. The size effect of TiO2 nanoparticles on a printable mesoscopic perovskite solar cell. Journal of Materials Chemistry A, Materials for Energy and Sustainability, 2015, 3(17): 9103–9107
https://doi.org/10.1039/C4TA07030E
28 Luo Q, Ma H, Zhang Y, Yin X, Yao Z, Wang N, Li J, Fan S, Jiang K, Lin H. Cross-stacked superaligned carbon nanotube electrodes for efficient hole conductor-free perovskite solar cells. Journal of Materials Chemistry A, Materials for Energy and Sustainability, 2016, 4(15): 5569–5577
https://doi.org/10.1039/C6TA01715K
29 Yang Y, Xiao J, Wei H, Zhu L, Li D, Luo Y, Wu H, Meng Q. An all-carbon counter electrode for highly efficient hole-conductor-free organo-metal perovskite solar cells. RSC Advances, 2014, 4(95): 52825–52830
https://doi.org/10.1039/C4RA09519G
30 Yu Z, Chen B, Liu P, Wang C, Bu C, Cheng N, Bai S, Yan Y, Zhao X. Stable organic-inorganic perovskite solar cells without hole-conductor layer achieved via cell structure design and contact engineering. Advanced Functional Materials, 2016, 26(27): 4866–4873
https://doi.org/10.1002/adfm.201504564
31 Ye S, Rao H, Yan W, Li Y, Sun W, Peng H, Liu Z, Bian Z, Li Y, Huang C. A strategy to simplify the preparation process of perovskite solar cells by Co-deposition of a hole-conductor and a perovskite layer. Advanced Materials, 2016, 28(43): 9648–9654
https://doi.org/10.1002/adma.201603850 pmid: 27622991
32 Hu Q, Wu J, Jiang C, Liu T, Que X, Zhu R, Gong Q. Engineering of electron-selective contact for perovskite solar cells with efficiency exceeding 15%. ACS Nano, 2014, 8(10): 10161–10167
https://doi.org/10.1021/nn5029828 pmid: 25259736
33 Mei A, Li X, Liu L, Ku Z, Liu T, Rong Y, Xu M, Hu M, Chen J, Yang Y, Grätzel M, Han H. A hole-conductor-free, fully printable mesoscopic perovskite solar cell with high stability. Science, 2014, 345(6194): 295–298
https://doi.org/10.1126/science.1254763 pmid: 25035487
34 Tsai K W, Chueh C C, Williams S T, Wen T C, Jen A K Y. High-performance hole-transporting layer-free conventional perovskite/fullerene heterojunction thin-film solar cells. Journal of Materials Chemistry A, Materials for Energy and Sustainability, 2015, 3(17): 9128–9132
https://doi.org/10.1039/C5TA01343G
35 Li Y, Ye S, Sun W, Yan W, Li Y, Bian Z, Liu Z, Wang S, Huang C. Hole-conductor-free planar perovskite solar cells with 16.0% efficiency. Journal of Materials Chemistry A, Materials for Energy and Sustainability, 2015, 3(36): 18389–18394
https://doi.org/10.1039/C5TA05989E
36 Bao X, Zhu Q, Qiu M, Yang A, Wang Y, Zhu D, Wang J, Yang R. High-performance inverted planar perovskite solar cells without a hole transport layer via a solution process under ambient conditions. Journal of Materials Chemistry A, Materials for Energy and Sustainability, 2015, 3(38): 19294–19298
https://doi.org/10.1039/C5TA05026J
37 Zhang Y, Hu X, Chen L, Huang Z, Fu Q, Liu Y, Zhang L, Chen Y. Flexible, hole transporting layer-free and stable CH3NH3PbI3/PC61BM planar heterojunction perovskite solar cells. Organic Electronics, 2016, 30: 281–288
https://doi.org/10.1016/j.orgel.2016.01.002
38 Marshall K P, Walker M, Walton R I, Hatton R A. Enhanced stability and efficiency in hole-transport-layer-free CsSnI3 perovskite photovoltaics. Nature Energy, 2016, 1: 16178
https://doi.org/10.1038/nenergy.2016.178
39 Feng H J, Paudel T R, Tsymbal E Y, Zeng X C. Tunable optical properties and charge separation in CH3NH3SnxPb1−xI3/TiO2-based planar perovskites cells. Journal of the American Chemical Society, 2015, 137(25): 8227–8236
https://doi.org/10.1021/jacs.5b04015 pmid: 26011597
40 Eperon G E, Leijtens T, Bush K A, Prasanna R, Green T, Wang J T W, McMeekin D P, Volonakis G, Milot R L, May R, Palmstrom A, Slotcavage D J, Belisle R A, Patel J B, Parrott E S, Sutton R J, Ma W, Moghadam F, Conings B, Babayigit A, Boyen H G, Bent S, Giustino F, Herz L M, Johnston M B, McGehee M D, Snaith H J. Perovskite-perovskite tandem photovoltaics with optimized band gaps. Science, 2016, 354(6314): 861–865
https://doi.org/10.1126/science.aaf9717 pmid: 27856902
41 Deng Y, Xiao Z, Huang J. Light-induced self-poling effect on organometal trihalide perovskite solar cells for increased device efficiency and stability. Advanced Energy Materials, 2015, 5(20): 1500721
https://doi.org/10.1002/aenm.201500721
42 Kumar M H, Dharani S, Leong W L, Boix P P, Prabhakar R R, Baikie T, Shi C, Ding H, Ramesh R, Asta M, Graetzel M, Mhaisalkar S G, Mathews N. Lead-free halide perovskite solar cells with high photocurrents realized through vacancy modulation. Advanced Materials, 2014, 26(41): 7122–7127
https://doi.org/10.1002/adma.201401991 pmid: 25212785
43 Koh T M, Krishnamoorthy T, Yantara N, Shi C, Leong W L, Boix P P, Grimsdale A C, Mhaisalkar S G, Mathews N. Formamidinium tin-based perovskite with low Eg for photovoltaic applications. Journal of Materials Chemistry A, Materials for Energy and Sustainability, 2015, 3(29): 14996–15000
https://doi.org/10.1039/C5TA00190K
44 Liao W, Zhao D, Yu Y, Grice C R, Wang C, Cimaroli A J, Schulz P, Meng W, Zhu K, Xiong R G, Yan Y. Lead-free inverted planar formamidinium tin triiodide perovskite solar cells achieving power conversion efficiencies up to 6.22. Advanced Materials, 2016, 28(42): 9333–9340
https://doi.org/10.1002/adma.201602992 pmid: 27571446
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed