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美国莱斯大学Adv. Mater.: NiO对钙钛矿太阳电池性能和光稳定性的影响

【 成果简介 】

有机-无机杂化钙钛矿太阳电池作为一项有前景的技术已经受到广泛关注。基于TiO2介孔结构的钙钛矿太阳电池的能量转化效率已经从3.8%提高到22.1%。简单的平板构型的光伏器件的最高效率也达到了20%。已有报道的文献表明通过使用潜在的理想接触层可以提高平板电池的效率。另外,我们还需要同时提高器件的效率和稳定性,这对于可靠的光伏技术是至关重要的。因此,需要优化电子和空穴传输层以提高效率和增强稳定性。已有的研究表明:使用氧化物作为电子和空穴传输层可以作为器件抵抗外在环境影响的保护层。然而,一些基础的问题还没有解决。例如,没有相关报道研究结晶度、结构和金属氧化物层/钙钛矿层界面品质的影响。另外,在大多数情况下,器件环境的稳定性是通过在没有光浸渍的黑暗条件下进行测试。一些研究表明,持续的光浸渍对于评价器件的稳定性是至关重要的。

近日,美国莱斯大学的Aditya D. Mohite博士(通讯作者)Adv. Mater.上发表最新研究成果“Critical Role of Interface and Crystallinity on the Performance and Photostability of Perovskite Solar Cell on Nickel Oxide”。在该文中,研究者在NiO空穴传输层上可控生长杂化钙钛矿层,改善了钙钛矿层的结晶性能。光物理和界面敏感性测试表明:与PEDOT:PSS/钙钛矿层界面相比,NiO/钙钛矿层界面具有较低的电荷捕获态。此外,光伏器件的光稳定性达到10-Sun,这是由于钙钛矿层优异的结晶性。该研究解释了钙钛矿/空穴传输层界面对于提高光伏器件性能和光稳定性的关键作用。

【 图文解读 】

图1显示了在LiNiO和PEDOT:PSS空穴传输层上生长的MAPbI3薄膜的形貌和结晶度。两种薄膜的厚度大约是310-370 nm。与MAPbI3单晶相比,生长在LiNiO上的MAPbI3薄膜的衍射峰发生了劈裂,这表明MAPbI3薄膜中存在稳定的四方相和增强的结晶度(图1c)。但是,生长在PEDOT:PSS上的MAPbI3薄膜只显示出(100)和(200)峰(立方相),并且在20°和40°之间并没有观察到峰的劈裂。积分宽度分析表明:在LiNiO和PEDOT:PSS上生长的薄膜的相关长度分别为48.5 nm和33.9 nm。在PEDOT:PSS情况下,额外的宽化与微应力分布有关。

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图1 空穴传输层/钙钛矿层的结构和形貌表征

(a)基于LiNiO空穴传输层的器件的SEM截面图

(b)基于PEDOT:PSS空穴传输层的器件的SEM截面图

(c)LiNiO/MAPbI3、PEDOT:PSS/MAPbI3和钙钛矿单晶的XRD图

(d)(100)和(200)曲线轮廓的积分宽度分析的放大图。当空穴传输层 PEDOT:PSS时,钙钛矿采用立方相索引。当空穴传输层是LiNiO时,钙钛矿采用四方相索引

(e)使用Halder–Wagner图的积分宽度分析

(f)基于DFT计算的MAPbI3/NiO (100)模型界面结构

由于在LiNiO上生长的薄膜具有优异的结晶度,作者制备了光伏器件以评价它们的光电子性质。图2归纳了太阳电池的器件结构和性能。

美国莱斯大学Adv. Mater.: NiO对钙钛矿太阳电池性能和光稳定性的影响

图2 光伏器件的性能表征

(a)平板器件结构的示意图

(b)器件每个层的能级示意图

(c)在1-Sun照射下,器件的电流-电压曲线

(d)基于LiNiO空穴传输层的器件的PCE和Voc统计图

(e)器件的EQE图

(f)在1-Sun照射、不同的扫素下,MAPbI3/LiNiO器件的J-V曲线图

接下来,作者研究了钙钛矿薄膜的光物理性质,如图3所示。MAPbI3/LiNiO和MAPbI3/PEDOT:PSS的光学带隙分别为1.614 eV和1.614eV。图3c表明在两种钙钛矿薄膜中,双分子复合是主要的。然而,在MAPbI3/LiNiO中,其非辐射复合衰变速率是相对较低的。TRPL测试表明:与MAPbI3/PEDOT:PSS器件相比,在太阳电池的操作系统中,MAPbI3/LiNiO器件里浅的电子杂质态是钝化的,光激发载流子不容易被较深的电子杂质淬灭。为了进一步理解Voc提高的原因,作者测试了薄膜的光发射性质。结果表明:Voc的增加是由于MAPbI3和LiNiO界面具有低的捕获态和更好的能级连接。

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图3 空穴传输层/钙钛矿层的光电化学性质分析

(a)平板器件的光学吸收性质

(b)钙钛矿层的TRPL图

(c)双分子系数和捕获辅助的弛豫速率随着光激发强度的变化

(d)外光致发光效率随着激发能量的变化

(e))TPV衰变曲线

(f)从TPV曲线中获得的电荷复合寿命

最后,作者评价了增强的本体和界面结晶度对光稳定性的影响,如图4所示。实验结果表明:高的MAPbI3结晶度和改善的界面极大地阻止了亚稳态捕获态的形成,因此是器件具有优异的光稳定性。

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图4 不同光照条件下,器件的稳定性测试

(a)光照下,器件的Jsc随时间的变化曲线

(b)在不同的光照条件下,器件的Jsc随时间的变化曲线

【 小结 】

在这项工作中,研究者发现,在LiNiO界面上可以制备稳定的四方相钙钛矿。基于稳定的四方相钙钛矿的器件在光浸渍条件下具有优异的光稳定性。这是由于钙钛矿层的高结晶度和界面层低的捕获态密度。该研究发现了构效关系对于钙钛矿光伏器件光稳定性和效率的关键作用。

供   稿丨深圳市清新电源研究院

部   门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨云卷云舒

主    编丨张哲旭

本文由清新电源原创,作者清新能源媒体信息中心云卷云舒供稿,转载请申请并注明出处:http://www.sztspi.com/archives/2478.html

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