Adv. Mater :半導體化學添加劑修飾制備高效率且穩定的反式平面鈣鈦礦電池

Kunlin 5年前 (2018-12-19) 4217瀏覽

【引言】

有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池因其高的光電轉換效率及簡單廉價的制備工藝，在光伏領域掀起了新的研究熱潮，是當前發展最快的新一代薄膜光伏器件。短短幾年內，有機-無機雜化鈣鈦礦電池效率已經超過23%，與商業化的晶硅太陽能電池相當。已有大量研究報道通過調控鈣鈦礦薄膜形貌及結晶性來提高鈣鈦礦電池的效率及穩定性，其中化學添加劑因其可在低溫過程中進行有效處理的優勢被廣泛采用。然而此類添加劑固有的絕緣性質阻礙了鈣鈦礦層中載流子的有效提取和傳輸，進而限制了其進一步的應用。在該研究中，作者報道使用半導體有機共軛分子作為添加劑，反溶劑步驟中引入，在增加鈣鈦礦薄膜晶粒尺寸的同時不影響載流子的傳輸，進而顯著提高反式鈣鈦礦電池器件的性能。

【成果簡介】

近日，韓國蔚山國家科學技術研究所Myoung Hoon Song教授等人使用半導體化學添加劑來調控鈣鈦礦薄膜的形貌和性能。研究人員分別選用MAPbI3和(FAPbI3)0.8(MAPbBr3)0.2鈣鈦礦組分作為光吸收層，設計了兩種半導體化學添加劑，分別為SA-1和SA-2 (化學結構見圖1)，設計思路為以羅丹寧為核心功能基團，引入到芴分子類似物兩端，后在SA-1分子基礎上添加叔胺基進而設計得到SA-2。團隊研究發現由于羅丹寧基團與鈣鈦礦發生路易斯酸堿作用，經SA處理的鈣鈦礦薄膜晶粒尺寸明顯增加。同時SA的引入促進了鈣鈦礦薄膜中光生載流子的快速提取，顯著提升了器件的電流密度。此外因SA-2中叔胺基的引入，有效鈍化了界面和表面的缺陷，進一步改善了鈣鈦礦電池的光電轉換效率和穩定性，基于 (FAPbI3)0.8(MAPbBr3)0.2的反式鈣鈦礦電池光電轉換效率最高可達20.3%，并在40%的濕度環境下展現了優異的工作穩定性。相關成果以題為“Highly Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Cell Obtained via Treatment by Semiconducting Chemical Additive”發表在Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一 有機共軛分子結構及鈣鈦礦薄膜的制備與形貌表征

(a) Glass/ITO/HTL/Perovskite/PCBM/ZnO/Ag鈣鈦礦電池器件結構示意圖以及有機共軛分子SA-1、SA-2和羅丹寧的化學結構；
(b) 鈣鈦礦薄膜制備工藝示意圖，其中SA分子加入氯苯中作為反溶劑引入；
(c) SA修飾后的鈣鈦礦薄膜中電荷提取機理闡述；
(d) 不同鈣鈦礦薄膜表面SEM，加入SA分子后，由于羅丹寧與鈣鈦礦的路易斯酸堿作用，薄膜晶粒尺寸明顯增加。

圖二 鈣鈦礦太陽能電池性能表征

(a) MAPbI3基鈣鈦礦電池J-V性能曲線；
(b) FAMA基鈣鈦礦電池的最佳J-V正反掃性能曲線；
(c) FAMA基鈣鈦礦電池的EQE光譜；
(d) SA-2修飾的鈣鈦礦電池在最大功率點處的穩態輸出測試。

圖三 鈣鈦礦薄膜的載流子動力學及缺陷鈍化表征

(a) 鈣鈦礦薄膜的穩態PL光譜；
(b) 鈣鈦礦薄膜的TRPL光譜；
(c) 純電子傳輸的鈣鈦礦器件ITO/SnO2/perovskite/PCBM/LiF/Ag的J-V曲線；
(d) 鈣鈦礦電池的暗態J-V曲線，根據顯著減小的暗電流推斷出器件明顯增加的Voc，進一步證明了SA-2的缺陷鈍化作用；
(e) 純電子傳輸的鈣鈦礦器件的SCLC測試表明SA-2處理的鈣鈦礦器件顯示出更低的缺陷密度，進一步表明SA-2缺陷鈍化的有效性；
(f, g) 強度調制光電流(IMPS)和光電壓譜(IMVS)的Nyquist圖，進一步證明SA-2促進了光生載流子的快速提取以及缺陷的有效鈍化。

圖四 鈣鈦礦電池器件穩定性測試

(a) 鈣鈦礦電池器件在持續光照下的穩定性測試（溫度25℃，濕度60%）；
(b) 鈣鈦礦電池器件在無光照下的穩定性測試（溫度25℃，濕度40%）；
(c) 鈣鈦礦電池器件在氮氣手套箱中100℃熱穩定性測試；
(d) 鈣鈦礦薄膜的接觸角測試。

【小結】

在該研究中，作者在鈣鈦礦薄膜中引入半導體化學添加劑，制備得到高效率且穩定的倒置結構的鈣鈦礦電池。研究人員通過在鈣鈦礦層中引入SA-1，顯著提高了器件的短路電流和填充因子，最高效率為18.8%，其效率的改善主要歸因于鈣鈦礦膜中較大晶粒的形成以及SA-1的較高載流子遷移率，進而減少了晶界并改善了載流子的提取。此外，在鈣鈦礦層中引入了含有叔胺基的半導體化學添加劑SA-2，對表面缺陷和晶界缺陷進行了有效鈍化，器件性能及穩定性進一步提高，效率最高可達20.3%。這也是目前報道的首次使用半導體化學添加劑來同時實現鈣鈦礦的晶粒尺寸增加、光生載流子有效提取以及鈣鈦礦薄膜中的缺陷鈍化。

文獻鏈接：Highly Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Cell Obtained via Treatment by Semiconducting Chemical Additive?(Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201805554）

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