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）在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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