Recent Advances in the Applications of Elemental Two-dimensional Materials and Their Derivatives Serving as Transport Layers in Solar Cells

doi:10.7503/cjcu20200673

Abstract

Abstract:

Owing to the rapid increase of world population and the energy used by per person， the total electricity consuming is growing even more quickly in modern society than before. Among various green energy technologies， photovoltaic power generation is undoubtedly a very promising technology. Although the traditional silicon-based solar cells have made great progress， there is still a gap of the cost performance between silicon photovoltaics and the traditional energy. Therefore， it is urgent to develop low-cost and high-efficiency solar cells. However， the application of new-type solar cells has been double tested by poor stability and relatively low efficiency. Interestingly， elemental two-dimensional（2D） materials and their derivatives have also attracted much attention due to their excellent chemical and physical properties. The integration of elemental 2D materials into solar cells has also been widely studied and the positive effects can be obviously observed. In this review， we show the development of nanoscale elemental 2D materials served as transport layers in solar cells， which have gained prominence improvement in terms of efficiency and been proved to be a new platform for further promising technology to meet the energy demands in modern society. Then the critical challenges and prospects for using of elemental 2D materials in solar cells are addressed.

Key words: Solar cell, Elemental 2D material, Transport layer, Efficiency

CLC Number:

O611

TrendMD:

LIN Shenghuang, FU Nianqing, BAO Qiaoliang. Recent Advances in the Applications of Elemental Two-dimensional Materials and Their Derivatives Serving as Transport Layers in Solar Cells[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 412.

Figures/Tables 10

Fig.1 Schematic illustration of using elemental 2D materials as transport layers in solar cells

Fig.2 Overview of elemental 2D materials explored through experimental or theoretical approaches(A) and a roadmap of several recent elemental 2D materials being investigated in experiments or theory(B)The pentagram star in (A) reveals the cases we studied in this work.

Fig.4 Schematic illustration of functionalized graphene by various strategies[99](A) Pristine grapheme; (B) edge-functionalization; (C) basal-plane-functionalization; (D) noncovalent adsorption on the basal plane; (E) chemical structure of graphene oxide(GO)[99]. Copyright 2013, American Chemical Society. (F) Schematic structure of N- and B-doped graphene[100]. Copyright 2011, American Chemical Society.

Fig.5 Theoritical and experimental results of tuning oxygen concentration in GO transport layers for enhancing the PCE of OPV devices(A) Schematical representation of the conduction-type of the GO/CH3NH3PbI3 with the oxidation level of GO; (B) energy-level alignment within the GO/CH3NH3PbI3 heterojunctions. The red cross-lines in rGO-66%O and GO-100%O indicate a forbidden charge transfer(The inset highlights the interpolated band alignment between rGO-33%O and rGO-66%O, where the blue-shaded area corresponds to a type II heterojunction)[117]. Copyright 2018, The Royal Society of Chemistry. (C) J?V curve of devices based on ITO/HEL/P3HT:PC61BM/LiF/Al structure, with HEL of PEDOT:PSS, graphene oxide with varied oxidation(pr-GO) and HEL-free; (D) energy level diagram of device[118]. Copyright 2014, Elsevier.

Fig.6 Tuning the energy band of GO by chemical dopping and its performance on organic solar cells[130](A) Energy diagram showing the Fermi level of GO(middle) and its shifting after the functionalization with Cl(left) and Li(right); (B) schematic illustration of the BHJ OPV device with GO-Cl as the HTL and GO-Li/TiOx as the ETL; (C) J?V characteristics of PTB7:PC71BM-based photovoltaic devices. Copyright 2016, Royal Society of Chemistry.

Fig.7 Chemical doped GO and its performance in perovskite solar cells(A) Schematic representation of PSCs-module structure with graphene and GO-Li inclusion; (B) the current-voltage(I?V) characteristics of tested modules[143]. Copyright 2017， American Chemical Society. (C) Schematic illustration of device architecture; (D) energy level diagram of m-PSC with GNRs incorporated into TiO2 ETL[145]. Copyright 2018, Elsevier.

Fig.8 BPQD as hole transport material in perovskite solar cells[158](A) Configuration of the p-i-n planar PSCs; (B) energy level diagram of each functional layer; (C) cross-section SEM of an optimal device; (D) J?V curves of PSCs in a forward scan, measured under 100 mW/cm2 illumination; (E) EQE spectra of the optimal PSCs with different times(0—5) of BPQDs coating as interlayers; (F) device performance statistics for the PSCs with BPQD and without BPQD as interlayers. Copyright 2017, American Chemical Society.

Fig.9 BPQD as electron transport materials for organic solar cell and perovskite solar cell(A) The inverted architectures and of OPVs based on PTB7/PC71BM;(B) J?V characteristics of inverted OPVs with BP incorporation under different conditions(the inset of (B) shows the energy band structure of the OPV based on PTB7/PC71BM with the incorporation of BP, three times coating)[161]. Copyright 2016, WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. (C) Schematic illustration of the plastic organic-inorganic perovskite solar cells with BPQDs ETL; (D) energy level diagram of each component of PSCs; (E) J?V characteristic curves of PSCs built on BPQDs electron selective layer(ESL) and bare ITO substrate, measured under 1 sun illumination(100 mW/cm2) in a reverse scan[7]. Copyright 2018, The Royal Society of Chemistry.

Fig.10 Antimonene as electron transport materials for perovskite solar cells[168](A) The energy levels of each functional layer of PSC with an antimonene HTL; (B) configuration of the antimonene-based device;(C) cross-sectional SEM image of the device; (D, E) J?V curves(D) and external quantum efficiency(EQE) spectra(E) of devices without HTL(Device 1) and with antimonene HTL(Device 2). Copyright 2018, WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

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