01 引言
高质量的钙钛矿薄膜是实现更高效和稳定的钙钛矿太阳能电池(PSCs)的必要条件之一。到目前为止, 有多种提高钙钛矿薄膜质量的策略, 主要包括溶剂工程、钙钛矿成分工程、添加剂工程和衬底工程。其中, 衬底工程是通过调控成核和生长过程来提高钙钛矿薄膜质量的有效方法。除了结晶过程的调节, 开发适当的添加剂分子来钝化钙钛矿薄膜内的缺陷是非常可取的。
除了钙钛矿薄膜的质量, SnO2/钙钛矿界面对于制造高效和稳定的PSC也是至关重要的。SnO2 电子传输层(ETL)中不同水平的氧空位会阻碍电子的提取和传输。SnO2ETL中的氧空位缺陷可以通过加入能与Sn4+协调的界面改性剂来实现可行而有效的钝化。在快速结晶和高温退火过程中, 阴离子和阳离子缺陷将不可避免地在钙钛矿薄膜的表面和晶界产生。同时含有阴离子和阳离子的有机或无机盐已被广泛证明可以钝化钙钛矿的缺陷。
到目前为止, 大多数报道的PSCs中的界面修饰分子经常被用来改善钙钛矿的结晶、调节能带排列或钝化界面缺陷。要同时完成上述多种功能, 仍然是一个巨大的挑战。
02 成果展示
近期, 重庆大学光电学院臧志刚教授&陈江照教授报告了一种通过阴离子和阳离子的协同作用实现体内和界面缺陷钝化的策略, 其中多功能硫酸钾(K2SO4)被嵌入SnO2/perovskite界面。他们发现, K2SO4中的K+离子能够扩散到钙钛矿层中, 抑制了钙钛矿薄膜中体缺陷的形成, 而SO42–离子通过与SnO2层和钙钛矿层的强相互作用保持在界面上。通过这种协同改性策略,同时实现有效的缺陷钝化和改进的能带排列。由于K2SO4改性后器件的开路电压(Voc)提高, PCE从19.45%提高到21.18%, 低电压损耗为0.53 V。此外, K2SO4改性有助于改善器件的稳定性。
该论文以“Simultaneouspassivation of bulk and interface defects through synergistic effect of anionand cation toward efficient and stable planar perovskite solar cells”为题发表在期刊Journal of Energy Chemistry上, 第一作者为重庆大学博士生张聪。
03 图文导读
利用XPS和FTIR分析SO42-分别与SnO2或者钙钛矿的相互作用, 结合XPS和TOF-SIMS分析K+和SO42–的分布位置, 利用UPS分析能带匹配问题。最终发现K2SO4可以钝化钙钛矿体内和界面的缺陷, 并且使得能带更匹配。
图1. (a) 器件结构图和K2SO4层的功能示意图。SnO2和SnO2/K2SO4薄膜的(b) S 2p, (c) Sn 3d, 和 (d) O 1s XPS光谱。(e) SnO2, K2SO4和SnO2/K2SO4的FTIR光谱。(f) 沉积在SnO2薄膜上的K2SO4, perovskite和K2SO4/perovskite的FTIR光谱。(g) perovskite/K2SO4/SnO2/FTO的TOF-SIMS数据, (h) 能级图。
XRD和SEM的结果表明界面修饰材料K2SO4对钙钛矿薄膜的结晶性和形貌有所改善。
图2. (a) 钙钛矿薄膜的XRD图。(b) 钙钛矿薄膜晶粒尺寸的统计直方图。沉积在(c) SnO2 和 (d) SnO2/K2SO4上的钙钛矿薄膜的俯视SEM图。(e) FTO/SnO2/perovksite/Spiro-OMeTAD/Ag和(f) FTO/SnO2/K2SO4/perovskite/Spiro-OMeTAD/Ag的截面SEM图。
利用SSPL, TRPL, PLmapping 和SCLC的结果证明了由于 SO42–的双向相互作用和钾离子扩散到钙钛矿薄膜中, K2SO4 的引入可以延长电荷寿命并最大限度地减少钙钛矿薄膜中的体内和界面非辐射复合损失。
图3. glass/perovskite 和 glass/K2SO4/perovskite的(a) SSPL, (b) TRPL光谱图。(c)glass/perovskite 和 (d) glass/K2SO4/perovskite的PL mapping图。(e) FTO/SnO2/perovskite/PCBM/Ag和 (f) FTO/SnO2/K2SO4/perovskite/PCBM/Ag结构的纯电子器件的暗态I-V曲线。
图4的SSPL, TRPL, TPV, ideal factor, Mott-Schottky和EIS的结果表明, K2SO4修饰SnO2/perovskite界面后, 不仅可以改善电子转移, 还可以抑制界面非辐射复合。
图4. glass/SnO2/perovskite 和glass/SnO2/K2SO4/perovskite的 (a) SSPL和 (b) TRPL光谱。(c) 基于SnO2和SnO2/K2SO4器件的TPV。(d) 基于SnO2和SnO2/K2SO4器件的Voc值随光强度变化的函数。(e) 基于SnO2和SnO2/K2SO4器件的Mott-Schottky分析。(f) 基于SnO2和SnO2/K2SO4器件的Nyquist图。
由于Voc和 FF 的增加, K2SO4 修饰的器件的PCE达到了21.18%。
图5. (a) 基于SnO2和SnO2/K2SO4的器件在反向和正向扫描下的J-V曲线图。(b) 器件的PCE统计直方图。(c)器件的IPCE和对应的激发Jsc。(d)PSCs的MPP图。
此外, K2SO4修饰的未封装器件在相对湿度约为25% 的条件下保存1000 小时后仅降解15%。
图6. PSC在室温~25%RH下 (a) Voc, (b) Jsc,(c) FF和 (d) PCE随时间的变化图。
04 小结
经过K2SO4界面改性后, 同时实现了缺陷的钝化和能带的匹配。由于K2SO4改性后提高了Voc, 器件的PCE从19.45%提高到21.18%,电压损耗低至0.53 V。在相对湿度为25%的环境条件下储存1000小时后, 改性PSCs的初始效率值可保持在85%以上。
文章信息
Cong Zhang, Huaxin Wang, Haiyun Li, Qixin Zhuang,Cheng Gong, Xiaofei Hu, Wensi Cai, Shuangyi Zhao, Jiangzhao Chen*,Zhigang Zang*，Simultaneous passivation of bulkand interface defects through synergistic effect of anion and cation toward efficient and stable planar perovskite solar cells，Journal of Energy Chemistry，2021
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095495621004010
原文刊载于【知光谷】公众号
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