Hole-transporting layer-free inverted planar mixed lead-tin perovskite-based solar cells

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 FAPb_0.5Sn_0.5I₃ 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/FAPb_0.5Sn_0.5I₃ interface. This finding provides an alternative strategy to simplify the manufacture of single-junction or tandem PSCs.

Keywords

solar cell / perovskite / hole-transporting layer (HTL) / interface engineering

References

[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

[2] Park N G. Perovskite solar cells: an emerging photovoltaic technology. Materials Today, 2015, 18(2): 65–72

[3] Ishihara T. Optical properties of PbI-based perovskite structures. Journal of Luminescence, 1994, 60–61: 269–274

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[10] Green M A, Ho-Baillie A, Snaith H J. The emergence of perovskite solar cells. Nature Photonics, 2014, 8(7): 506–514

[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

[12] Liu M, Johnston M B, Snaith H J. Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition. Nature, 2013, 501(7467): 395–398

[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

[14] Solar cell efficiency table, www.nrel.gov/ncpv/; 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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[39] Feng H J, Paudel T R, Tsymbal E Y, Zeng X C. Tunable optical properties and charge separation in CH₃NH₃Sn_xPb_1−xI₃/TiO₂-based planar perovskites cells. Journal of the American Chemical Society, 2015, 137(25): 8227–8236

[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

[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

[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

[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 E_g for photovoltaic applications. Journal of Materials Chemistry A, Materials for Energy and Sustainability, 2015, 3(29): 14996–15000

[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

Acknowledgements

This work was supported by start-up funding from ShanghaiTech University, The Young 1000 Talents Program, the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. U1632118, and 21571129), the National Key Research Program (No. 2016YFA0204000), the Shanghai Key Research Program (No. 16JC1402100), and the Shanghai International Cooperation Project (No. 16520720700). The authors are grateful to the test centers of both ShanghaiTech University and CAS Key Laboratory of Low-Carbon Conversion Science and Engineering, Shanghai Advanced Research Institute, Chinese Academy of Sciences.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg