Energy Environ. Sci.：朱開-鈣鈦礦太陽能電池中的外部離子遷移

【引言】

近年來，有機-無機雜化的鈣鈦礦材料(例如MAPbI3)由于其優異的光電性能和低成本制備技術受到了廣泛關注。基于鈣鈦礦結構的太陽能電池(PSCs)的能量轉換效率(PCE)更是在短短7年內就從3.8%攀升到了22.1%。離子遷移在PSCs中普遍存在，而且被廣泛認為是導致J-V遲滯現象的主要因素。但是，迄今為止幾乎所有研究都僅僅集中在鈣鈦礦材料內部離子(MA⁺、Pb²⁺、I^-)的遷移及其對PSCs的影響。來自空穴傳輸層(HTL)或電子傳輸層(ETL)的外部離子的遷移行為和作用機制鮮有報道。

【成果簡介】

近日，美國國家可再生能源實驗室(NREL)的高級科學家朱開(通訊作者)等人以“Extrinsic ion migration in perovskite solar cells”為題在能源領域頂尖期刊Energy Environ. Sci.上發表了關于PSCs中外部離子遷移的最新成果。研究團隊在基于TiO₂/鈣鈦礦/spiro-OMeTDA的PSCs中，通過飛行時間二次離子質譜（TOF-SIMS）展示了Li+從spiro-OMeTDA層遷移，到達鈣鈦礦和TiO₂層，并在TiO₂層中聚集的行為，揭示了Li⁺遷移對太陽能電池性能、TiO₂層載流子脫出性質以及J-V遲滯現象的影響。該結果具有一定普適性，同樣適用于描述H⁺、Na⁺等其他外部離子的遷移行為及其對PSCs的影響。

【圖文導讀】

圖1：TOF-SIMS技術用于PSCs中幾種主要元素的深度剖析

(a)TOF-SIMS技術用于分析PSCs中一維元素分布的示意圖；

(b)用Li-TFSI摻雜spiro-OMeTDA做HTL的PSCs中元素的深度剖析：Li元素具有廣泛的分布；

(c)未摻雜Li-TFSI的PSCs中元素的深度剖析：Li元素的信號與儀器背景水平相當或更低。

圖2：不同Li-TFSI摻雜量的spiro-OMeTDA用作HTL對PSCs性能的影響

(a)正向掃描和反向掃描的J-V曲線；

(b)正向掃描和反向掃描的PCE，綠色曲線是正向PCE和反向PCE的平均值；

(c)不同方法制備無Li PSCs的示意圖；

(d)不同制備方法得到的具有相同無Li HTL的太陽能電池的J-V曲線。

圖3：HTL摻雜和不摻雜Li+的PSCs的遲滯現象

(a)正向掃描的PCE(正方形)、反向掃描的PCE(圓形)以及正向掃描和反向掃描PCE的平均值(三角形)；

(b)不同掃描速率下，含Li-TFSI和不含Li-TFSI的PSCs的遲滯系數。圖中實線為趨勢線；

(c)步進偏壓下的光電流；

(d)偏壓從0.6V變化到0.8V時的歸一化光電流：表明了不同的轉變動力學。

圖4：不同疊層結構鈣鈦礦的TRPL譜

(1)鈣鈦礦/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(黑色)；

(2)致密TiO₂/鈣鈦礦/PMMA(紅色)；

(3)Li摻雜鈣鈦礦/PMMA(藍色)；

(4)TiO₂/Li摻雜鈣鈦礦/PMMA(紫色)；

(5)TiO₂/鈣鈦礦/Li摻雜PMMA(綠色)；

(6)Li摻雜TiO₂/鈣鈦礦/PMMA(橙色)。

圖5：預偏極化誘導的Li+遷移對PSCs性能的調控

(a-b)正極化和負極化后的截面KPFM電勢；

(c)預偏極化后的EQE；

(d-e)預偏極化后的正向掃描(實線)和反向掃描(虛線)的J-V曲線，第1次(黑色)、第3次(紅色)和第20次(藍色)掃描；

(f)預偏極化后的遲滯系數。

圖6:HTL摻雜其他外部離子的PSCs的性能

(a)H2SO4作為H⁺源；

(b)Na-TFSI作為Na⁺源。

【小結】

同內部離子遷移一樣，外部離子遷移同樣是PSCs器件的共性，并且對PSCs的性能、遲滯現象甚至降解均有顯著影響。該研究通過對外部離子遷移行為及其作用的揭示，提出了PSCs中離子遷移研究的新思路，有助于深化對PSCs相關機理的認識，從而進一步優化PSCs器件的設計。

參考文獻：Li Z, Xiao C, Yang Y, et al. Extrinsic ion migration in perovskite solar cells[J]. Energy & Environmental Science, 2017.

本文由材料人編輯部游世海編譯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。

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