Nature Energy：使用SnO2增強平板型高效鈣鈦礦太陽能電池的電子抽取能力

【引言】

近年來，研究人員通過薄膜晶體生長控制以及界面器件工程將鈣鈦礦太陽能電池效率從3.8%提升至22.1%，并使其吸引了人們大量的關注。到目前為止，通常TiO₂介孔結構在為鈣鈦礦太陽能電池提供高效率和穩定電力輸出方面是最為成功的。但TiO₂介孔層需要一個高溫(＞450℃)燒結過程，這不利于低成本、延伸性器件的制作。因此，沒有TiO₂介孔層的平板結構鈣鈦礦太陽能電池就隨之出現，其所有結構層的制備均在低溫下進行。根據底部傳輸層類型，平板器件可分為n-i-p(正式)結構和p-i-n(反式)結構。使用富勒烯作為上端電子傳輸層時，反式結構一般表現出極小的滯后效應。但由于較差的結晶質量和有缺陷的界面群排列，反式結構的效率較低。對于正式結構，TiO₂致密層為電子傳輸層時，其反掃(從開路電壓到短路電流)效率高出正掃(從短路電流到開路電壓)效率許多，這也使得其很難獲得一個可信的能量轉換效率。為降低其滯后效應，研究人員利用富勒烯材料對TiO₂致密層表面進行改性，增強電子抽取能力。然而，富勒烯價格昂貴，在實際應用中不穩定。所以，對于正式平板結構鈣鈦礦太陽能電池仍需要一種低廉、穩定的具有較強電子抽取能力的電子傳輸層。

【成果簡介】

近日，半導中科院半導體研究所體材料科學重點實驗室游經碧研究員、張興旺研究員等用SnO₂作為電子傳輸材料，將SnO₂納米顆粒溶液旋涂在ITO玻璃基底上，形成了高結晶質量的電子傳輸層，并制成具有ITO/SnO₂/(FAPbI₃)_x(MAPbBr₃)_1-x/Spiro-OMeTAD/Au結構的鈣鈦礦太陽能電池。他們的研究成果證實在鈣鈦礦層晶粒邊界處形成了PbI₂，在鈣鈦礦和PbI₂之間可能形成了一個碘類型的能帶排列，它能阻止電子進入空穴傳輸層和減少電子與空穴的復合。他們發現鈣鈦礦中過量的PbI₂能夠鈍化鈣鈦礦層中存在的晶界缺陷等，在電池效率的提高上有一定的貢獻。同時研究成果表明，SnO₂降低了鈣鈦礦層和電子傳輸層界面間的能壘，提高電荷傳輸和減少電荷在界面處的積累，增強了電子的抽取能力，從而消除了測試過程中伏安曲線的滯后效應。他們所獲得的最好的鈣鈦礦太陽能電池反掃效率為20.27%，正掃效率為20.54%，認證效率為20.51%，滯后效應可以忽略不計。在可見光區域，其外量子效率可達到93%。鈣鈦礦層中離子的遷移會增加界面處電荷的積累，導致滯后效應的產生，如果電子傳輸層具有足夠強的電子抽取能力，就可避免甚至是完全消除滯后效應。

【圖文導讀】

圖1：SnO₂納米顆粒的特性

(a)沉積在銅網上的SnO₂納米顆粒的TEM圖；

(b)SnO₂納米顆粒的高分辨TEM圖；

(c)SnO₂納米顆粒的選區電子衍射圖（SAED）；

(d)SnO₂納米顆粒的XRD圖譜；

(e)沉積在ITO玻璃基底上的SnO₂納米顆粒的SEM圖；

(f)沉積在玻璃基底上的SnO₂薄膜不同波長下的透射光譜。

圖2：SnO₂、TiO₂納米顆粒和鈣鈦礦層的能帶結構特性

(a)SnO₂、TiO₂和鈣鈦礦層的紫外光光電子譜（UPS）截止邊；

(b)由UPS測量得到的SnO₂、TiO₂和鈣鈦礦層的價帶譜；

(c)根據導帶情況得到的SnO₂和鈣鈦礦層的可能的能級匹配；

(d)由空間電荷限制電流模型得到的ITO/Al/metal oxides/Al結構中SnO₂和TiO₂膠體膜的log(J)-log(V)散點圖

圖3：金屬氧化層和鈣鈦礦層之間的電荷運輸特性

(a)沉積在玻璃上的(FAPbI₃)_0.97(MAPbBr₃)_0.03、SnO₂和TIO₂各自的光致發光譜；

(b)沉積在玻璃上的(FAPbI₃)_0.97(MAPbBr₃)_0.03、SnO₂和TIO₂各自的時間分辨光致發光譜。

圖4：鈣鈦礦形貌和結構以及電池器件結構

(a.b)鈣鈦礦薄膜于135 ℃下退火20 min和150 ℃下退火20 min后各自的SEM圖；

(c)鈣鈦礦薄膜于130 ℃和150 ℃下退火后的XRD譜圖。

圖5：以SnO₂為電子傳輸層材料的鈣鈦礦太陽能電池的性能

(a)鈣鈦礦層中含過量PbI₂和無過量PbI₂時電池的性能；

(b)最佳電池的反掃（1.2 V到0 V）和正掃（0 V到1.2 V）結果圖；

(c)最佳電池的外量子效率以及集成短路電流密度；

(d)一批40片電池的效率分布（紅色曲線是數據的高斯函數擬合線）。

圖6：具有不同電子傳輸層的電池中的電荷轉移

(a)電子傳輸層分別為SnO₂和TiO₂各自的瞬態光電流衰減曲線；

(b)電子傳輸層分別為SnO₂和TiO₂各自的瞬態光電壓衰減曲線。

文獻連接：Enhanced electron extraction using SnO2 for high-effciency planar-structure HC(NH2)2PbI3-based perovskite solar cells（Nature Energy, 2016, DOI:10.1038/NENERGY.2016.177）

本文由材料人新能源學術小組黃M吉整理。
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