Science：采用接觸鈍化法制備高效穩定的平面鈣鈦礦型太陽能電池

yuyuyu 7年前 (2017-02-04) 5191瀏覽

【引言】

鈣鈦礦太陽能是近幾年興起的一類具有巨大應用前景的太陽能電池，它具有光電轉換效率高、成本低以及制備工藝簡單等突出優點，而平面結構鈣鈦礦電池具有制備工藝簡單、低溫制備且與柔性器件制備工藝兼容等優勢。金屬鹵化物鈣鈦礦型太陽能電池的發展為新一代光伏器件的發展吸引了更多的研究，因為光伏器件有高的太陽能發電功率轉換效率 （PCE）和低制造成本等優點。性能較好的金屬鹵化物鈣鈦礦型太陽能電池依靠高溫度燒結介孔 TiO2作為電子選擇層 （ESL），PCE值已經達到了22.1%。然而，這種高溫處理使制造更復雜，阻礙了柔性模塊和鈣鈦礦型單片串聯器件的發展。

為了克服這一局限性，研究者們利用低溫（< 150℃）溶液處理的電子選擇層來制備平面鈣鈦礦型太陽能電池，金屬氧化物材料如ZnO、?TiO2、?Zn2SnO4、?SnO2等納米顆粒在低溫下合成用作ESL。近期，高效（19.9%）小面積鈣鈦礦型太陽能電池已經通過低溫處理SnO2實現。

【成果簡介】

平面鈣鈦礦太陽能電池通過低溫溶液處理（< 150℃）為簡化生產提供保障，與柔性襯底和鈣鈦礦型串聯設備具有兼容性；然而，他們需要類似電子選擇層這樣的處理來更好的運行。近日，來自多倫多大學的Edward H. Sargent教授（通訊作者）帶領的研究團隊的相關研究成果發表于Science，題目為：“Efficient and stable solution-processed planar perovskitesolar cells via contact passivation”。研究人員使用氯氣覆蓋二氧化鈦膠體納米晶（NC）膜以達到接觸鈍化的目的，減少界面重組并改善低溫時平面太陽能電池界面結合薄膜的性能。實驗制造的太陽能電池的活躍區域為0.049和1.1平方厘米，通過低溫溶液處理，分別實現20.1%和19.5%的穩定效率。太陽能電池的效率> 20%，在 1太陽照度下，最大功率點在室溫下連續運行500h后仍保留了初始值的90%（暗恢復后達到97%）。

【圖文導讀】

圖一：Cl對鈣鈦礦和TiO2界面質量的影響，以及Cl覆蓋TiO2（TiO2-Cl）膠體納米晶體的穩定性

（A）在價帶的邊緣有像局部反位缺陷一樣的PbI2終止TiO2/鈣鈦礦型接口。

（B）從PbCl2終止接口看到淺層和非定域的Pb-Cl反位缺陷。

（C和D）二氧化鈦NC膜中Cl?2p在XPS譜的峰值：先合成，再分散于甲醇和氯仿助溶劑中（MeOH+CF），再作為穩定劑分散在乙醇和二異丙氧基雙乙酰丙酮鈦溶液中（EtOH+TiAcAc）和（D）不同退火溫度下的TiO2-Cl NC膜：室溫（RT），100℃，150℃和250℃。

圖二：TiO2-Cl鈣鈦礦薄膜結構及其性能研究

（A）器件結構和平面鈣鈦礦型太陽能電池掃描電子顯微鏡（SEM）的橫截面圖像。

（B和C）從ITO基板俯視TiO2-Cl薄膜的SEM圖像（B）和TiO2-Cl上的鈣鈦礦薄膜（C）。

（D）TiO2和TiO2-Cl鈣鈦礦薄膜的XRD圖。裸露玻璃、TiO2和TiO2-Cl鈣鈦礦薄膜覆蓋ITO基板的穩態熒光光譜（E）和時間分辨熒光衰減圖（F）。TiO2和TiO2-Cl?鈣鈦礦薄膜在TiO2和TiO2-Cl?快速充電萃取有效淬火時的PL信號。

圖三：通過TiO2-Cl提高鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能

（A）TiO2和TiO2-Cl的金屬鹵化物鈣鈦礦型太陽能電池作為ESLs測量得到的反向和正向掃描J-V曲線。

（B）TiO2-Cl 204設備上的PCE值直方圖。

（C）規范化的瞬態光電流衰減和（D）規范化TiO2和TiO2-Cl太陽能電池作為ESLs的瞬態光電壓衰減。A-D圖顯示MAFA有鈣鈦礦結構。

（E）在正向和反向掃描測得的最佳小面積（0.049平方厘米）CsMAFA的J-V曲線。

（F）反向掃描測得的最佳大面積（1.1平方厘米）CsMAFA的J-V曲線顯示PCE為20.3%（VOC=1.196V，JSC=2.22mA cm-2，FF=76.4%）。插圖為大面積設備的照片。MAFA 和CsMAFA分別代表鈣鈦礦組成FA0.85MA0.15PbI2.55Br0.45和Cs0.05FA0.81MA0.14 PbI2.55Br0.45。

圖四：TiO2和TiO2-Cl鈣鈦礦太陽能電池設備的長期穩定性

（A）使用TiO2和TiO2-Cl非封裝的金屬鹵化物鈣鈦礦型太陽能電池在黑暗條件下貯藏的穩定性。未密封的電池保存在干燥柜（相對濕度＜30%，黑暗條件）并定期在氮條件下進行測量。反向掃描得到PCE值。MAFA 和CsMAFA分別代表鈣鈦礦組成FA0.85MA0.15PbI2.55Br0.45和Cs0.05FA0.81MA0.14 PbI2.55Br0.45。

（B）高性能未密封CsMAFA電池和TiO2-Cl在氮氣氛圍，AM1.5光譜條件下連續500h跟蹤到的最大功率點（MPP）。反向J-V掃描得到PCE值，從反向J-V掃描可以看到設備保留了初始值的95%。

（C）不同階段PSC的 J-V曲線（如B所示）：初始，經過500小時MPP跟蹤，暗恢復后。無紫外濾光片下測量的J-V曲線。

【小結】

總之，在TiO2-Cl /鈣鈦礦型接口和抑制界面復合的超強結合使基于TiO2-Cl的平面鈣鈦礦型太陽能電池具有超強的穩定性。用這種新方法來制備高效、穩定的金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池更加簡便，同時具有更廣闊的發展空間，和未來的基于光伏技術的工業化發展具有更好的兼容性。它為發展器件的柔韌性，并結合低帶隙半導體材料形成串聯器件提供了一個有效的路徑。

文獻鏈接：Efficient and stable solution-processed planar perovskite solar cells via contact passivation（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aai9081）

本文由材料人新能源組 yuyuyu?供稿，材料牛編輯整理。

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