Adv. Mater.：不可滲透的氧化錫電子提取層成就無銦-鈣鈦礦太陽能電池

【引言】

自從有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池（PVSCs）問世，該領域便受到極大關注。近幾年來，PVSC的功率轉換效率（PCE）從3.8％提高到22％以上。目前，PVSC是與晶體硅（c-Si）和Cu(In,Ga)(Se,S)₂ 太陽能薄膜電池形成串聯電池的重要候選者，旨在將PCE提升到30％的水平。除此之外，半透明、高效靈活的PVSC有著廣泛的應用設想，諸如實現透明電極的可持續發展。透明電極可在低成本下大量制備，并且產生超過銦錫氧化物（ITO）的導電性和透射率。

【成果簡介】

近日，德國伍珀塔爾大學電子器件研究所Thomas Riedl教授和南昌大學陳義旺教授（共同通訊作者）等人用腐蝕性前體制備有機-無機雜化鈣鈦礦光敏層，使超薄金屬層能作為半透明下電極應用于PVSC。通過在原子層沉積（ALD）引入氧化錫 (SnO_x)，有效地防止了金屬腐蝕。ALD具有優異的滲透阻隔性能，適用于銦錫氧化物（ITO）-半透明下電極(SnO_x/Ag 或 Cu/SnO_x)。研究得到無遲滯現象的鈣鈦礦太陽能電池，穩定的功率轉換效率可達15.3％。該成果以“Indium-Free Perovskite Solar Cells Enabled by Impermeable Tin-Oxide Electron Extraction Layers”為題于2017年5月8日發表在期刊Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖一：基于O₃- SnO_x，等離子體-SnO_x和H₂O-SnO_x的PVSC測試數據

a）PVSC橫截面的掃描電子顯微照片。

b）在100 mV s^?1掃描速率下，基于O₃- SnO_x，等離子體-SnO_x和H₂O-SnO_x的PVSC的電流-電壓特性。

c）基于O₃- SnO_x，等離子體-SnO_x和H₂O-SnO_x器件的外部量子效率和集成電流密度。

d）在短路（開路）和最大功率點狀態下，電流密度隨時間的變化。

圖二：180nm鈣鈦礦膜的X射線衍射圖

分別使用O₃- SnO_x，等離子體-SnO_x和H₂O-SnO_x沉積在玻璃/ SnO_x上。 插圖放大了PbI₂ 峰值區域。

圖三：原始狀態下和頂部沉積MAPbI₃層的不同SnO_x變體的電子結構

使用開爾文探針（KP）、紫外和X射線光電子能譜（UPS，XPS）以及反向光電子能譜（IPES）對SnO_x層及其各界面進行了的詳細分析。其中開爾文探針分析了逸出功φ，O₃-SnO_x為4.12eV，等離子體-SnO_x為4.32eV，H₂O-SnO_x為4.3eV。能級位置由制備層的UPS和IPES測量確定。

圖四：電極的透光光譜

a）光傳輸光譜。

b）基于不同Ag和 SnO_x的電極與商用的ITO在玻璃上的照片對比。

圖五：鈣鈦礦太陽能電池的性能測試

a）基于透明電極H₂O-SnO_x/Ag/H₂O-SnO_x/O₃-SnO_x的器件層序列。

b）100 mV s^?1掃描速率下，太陽能電池的J-V特性。插圖是相應的性能參數。

c）基于透明電極H₂O-SnO_x/Ag/H₂O-SnO_x/O₃-SnO_x的代表性器件的外部量子效率。

【小結】

研究展示了基于SnO_x電子提取層的鈣鈦礦太陽能電池的比較研究。使用水、臭氧或氧等離子體作為氧化劑，通過原子層沉積制備的SnO_x。 其中基于O₃- SnO_x作為電子提取層的器件，具有最佳特性（可達到15.3％的穩定PCE）。光電子能譜展示了所有器件中SnO_x和鈣鈦礦之間形成的PbI₂界面層。此外，研究設計了基于SnO_x/Ag/SnO_x的無ITO的半透明下電極，其中SnO_x作為電子提取層，以優異的滲透阻隔性能有效地保護了超薄Ag層免受鹵化物的腐蝕。所得到的無銦-鈣鈦礦電池PCE高達11％。

文獻信息：Indium-Free Perovskite Solar Cells Enabled by Impermeable Tin-Oxide Electron Extraction Layers (Adv. mater. , 2017, DOI: 10.1002/adma.201606656)

本文由材料人編輯部學術組Meadow編譯，點我加入材料人編輯部。

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