中科院&南京工業大學Adv. Mater.:紅色碳量子點摻雜的 SnO2為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池效率達到 22.77%

kv1004 4年前 (2019-12-16) 5692瀏覽

【引言】

最近，新型的、低溫制備的SnO2有望取代TiO2來作為平面異質結鈣鈦礦太陽能電池的電子傳輸層（ETL），得益于它與鈣鈦礦更匹配的能級結構和比TiO2更高的電子遷移率。SnO2為ETL的鈣鈦礦太陽能電池被廣泛研究。然而，SnO2的電子遷移率比CH3NH3PbI3低，表明SnO2不適合作為ETL。近期研究表明通過離子注入、摻雜或者采用添加劑等手段對SnO2進行改性可以大幅提高它的電子遷移率和成膜質量。碳衍生物具有可設計性強、電子結構可調等很多優點，可通過一系列化學合成工藝使其攜帶豐富的羧酸和羥基等有機基團，因此被廣泛用作鈣鈦礦太陽能電池的添加劑或者中間修飾層，從而改善鈣鈦礦晶體薄膜的形貌和結晶性，提供電荷收集通道，促進電子提取。因此，使用碳量子點對SnO2 ETL進行改性研究具有十分重要的意義。

【成果簡介】

近日，中國科學院上海高等研究院/上海同步輻射光源的楊迎國博士、高興宇研究員和南京工業大學先進材料研究院陳永華教授（共同通訊作者）用紅色碳量子點（RCQs）摻雜低溫溶液加工的SnO2，使SnO2的電子遷移率由9.32 × 10?4cm2??V?1??s?1增加到1.73 × 10?2?cm2?V?1?s?1。所得遷移率是改性SnO2的電子遷移率已報道的最高值之一。紅色碳量子點摻雜的 SnO2（SnO2-RCQs）為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池效率達到 22.77%。這種鈣鈦礦太陽能電池在25℃、濕度為40–60%的條件下工作1000h后，效率為其初始效率的95%以上。這些性能一方面歸因于SnO2-RCQs極高的電子遷移率，另一方面歸因于改性的ETL促使鈣鈦礦前驅體形成大面積高質量的鈣鈦礦結晶膜，這表明廉價的碳量子點是制備高效ETL的簡單而出色的材料。上述成果發表在國際著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】
圖1.

a.SnO2-RCQs和SnO2分別為ETL的單載流子器件的J-V曲線

b.SnO2-RCQs薄膜和SnO2薄膜的導電率

c,d.SnO2-RCQs薄膜和SnO2薄膜的AFM高度圖

e.SnO2-RCQs薄膜和SnO2薄膜的Sn 3d XPS圖

f.RCQs和SnO2-RCQs的C 1sXPS圖

圖2.

a.SnO2-RCQs和SnO2上的鈣鈦礦薄膜的SEM圖

b.SnO2-RCQs和SnO2上的鈣鈦礦薄膜的吸收光譜

c.SnO2-RCQs和SnO2上的鈣鈦礦薄膜的PL光譜

d.SnO2-RCQs和SnO2上的鈣鈦礦薄膜的TRPL光譜

e.SnO2-RCQs和SnO2上的鈣鈦礦薄膜的2D-GIXRD圖

f.SnO2-RCQs和SnO2上的鈣鈦礦薄膜的1D-GIXRD圖

圖3.

a.GIXRD線掃描的示意圖

b,c.1D GIXRD圖

d,e.FWHM和鈣鈦礦（110）峰的位置

f.SnO2-RCQs上的鈣鈦礦薄膜的結晶機理

圖4.

a.倒置型平面異質結鈣鈦礦太陽能電池的結構

b.SnO2-RCQs和SnO2分別為電子傳輸層的性能最好的鈣鈦礦太陽能電池在1個太陽光照條件下的J-V曲線

c.SnO2-RCQs和SnO2分別為電子傳輸層的性能最好的鈣鈦礦太陽能電池的正向掃描和反向掃描的J-V曲線

d.SnO2-RCQs為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池在Vmax ≈ 1.0 V時的效率和光電流密度

e.SnO2-RCQs和SnO2分別為電子傳輸層的性能最好的鈣鈦礦太陽能電池的EQE曲線和電流密度

f.SnO2-RCQs和SnO2分別為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的標準化的效率在25℃、濕度為40–60%的黑暗環境中隨時間的變化

文獻鏈接：Red‐Carbon‐Quantum‐Dot‐Doped SnO2 Composite with Enhanced Electron Mobility for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells（Adv. Mater，2019，DOI：10.1002/adma.201906374）

基于同步輻射掠入射XRD面掃描和TRPL 面掃描研究發現，該方法能夠同時實現高遷移率的電子傳輸層和鈣鈦礦膜下層界面處的缺陷鈍化，形成大面積高質量的鈣鈦礦薄膜，方法簡單易行，適合器件的大規模生產制備，可為進一步提高鈣鈦礦電池效率和穩定性提供重要指導。

上海光源與南京工業大學聯培碩士生惠偉、上海高等研究院/上海光源楊迎國博士和中國石油大學徐泉博士為本文的共同第一作者。本工作得到了上海光源線站BL01B1和BL14B1的大力支持；該工作還得到了科技部國家重點研究計（2017YFA0403400, 2017YFB0701902, and 2015CB932200）、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、上海市科委項目等的資助。

本文由kv1004供稿

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