Joule: 电荷传输层对钙钛矿太阳电池开路电压和迟滞的影响

【 成果简介 】

尽管钙钛矿太阳电池在器件性能方面有了显著的进步，但控制钙钛矿光伏器件高开路电位和短路电流的运行机制仍不清楚。通过设想电荷载流子的传输来自内置电场的装置模型，早期的研究认为电荷收集的限制导致了这种动态迟滞现象。尽管如此，从材料制备的最新进展中我们发现了不同的情况，因为效率好的钙钛矿太阳电池具有优良的运输和收集性能，在扫描过程中光电流几乎没有变化。因此，研究电荷传输层对钙钛矿太阳电池开路电压和迟滞的影响是非常有意义的。

近日，瑞士GMF, Institute of Chemical Sciences and Engineering的Mohammad Khaja Nazeeruddin教授、西班牙Institute of Advanced Materials (INAM)的Juan Bisquert教授和瑞士GMF, Institute of Chemical Sciences and Engineering的Cristina Roldán-Carmona教授（共同通讯作者）在Joule上发表最新研究成果“Influence of Charge Transport Layers on Open-Circuit Voltage and Hysteresis in Perovskite Solar Cells”。在该文中，作者针对钙钛矿太阳能电池运行机制中电荷传输层和开路电位之间的相互作用做出了直接定位。实验结果表明，开路电位是由准费米能级的分裂和钙钛矿内部的复合所控制的，而不是由电荷传输层的功函数差所确定的任何内部电场所控制。此外，作者还提供了钙钛矿型太阳能电池迟滞起源的新见解，将接触性质确定为决定其界面电荷积累的一个关键因素，从而导致离子、电子或混合离子电子积累。

【 图文解读 】

想要研究电荷传输层对钙钛矿太阳电池开路电压和迟滞效应的影响，就必须首先排除不同的电荷传输层对钙钛矿层的影响。这是因为如果不同的电荷传输层会影响钙钛矿层的物理化学性质。那么，即使得出了实验结果，作者也无法确定实验结果的原因。在此考虑下，作者首先研究了不同电荷传输层存在下，钙钛矿层的光吸收性质就、形貌和晶体结构。幸运的是，如图1所示，在本研究中，不同的电荷传输层对钙钛矿层的生长没有显示中明显的差异性。所以，如果实验结果得出了一些结论，那必然就是电荷传输层的差异性导致的。

图1 钙钛矿结构太阳能电池的结构、薄膜特性和光伏性能

（a）钙钛矿太阳电池的结构示意图

（b）不同器件的SEM的截面图

（c）不同钙钛矿薄膜的形貌和光学性质

（d）相应的钙钛矿薄膜的XRD衍射图谱

紧接着，作者研究了使用不同电荷传输层制备的钙钛矿太阳电池的光伏性质如图2所示。分析数据可知：电荷传输层的差异对太阳电池的填充因子有明显的影响，二对其它光伏参数的影响不大。

图2 钙钛矿太阳电池的性能表征

（a）太阳电池的J-V曲线图

（b）太阳电池的EQE图

（c）太阳电池效率、填充因子和电流密度统计图

（d）太阳电池开路电位和功函数的统计图

为了深入了解接触点的电子行为，作者通过阻抗谱研究了这些器件的迟滞特性和电容性质。图3a显示了三个体系下，不同扫描速度的J-V曲线。在所有情况下，当扫描速度增大时，滞后环变大。这通常发生在电容放电的情况下。在C-TiO₂情况下，这种影响尤为明显。但是，在m-TiO₂情况下，这种影响最小。这些实验结果表明介孔材料是降低整体器件滞后效应的主要因素。然而，在移除C-TiO₂层之后，迟滞效应又降低了。又是除了非常快速扫描减少。

图3b是在不同的应用电压下，器件的电容随频率的变化。从图中可以看出：从低频到高频的变化过程中，器件的电容值增加了近两个数量级。作者把这个现象归因于离子的聚集层和界面处的电子载流体。 对于没有电子传输层的器件，它并不会显现处负电容趋势。但是在低频处，它的电容随电压呈指数型变化。因此作者得出结论，在较低和非常高的电压下，三种不同电荷传输层构成的钙钛矿太阳电池显现相同的趋势。但在中间电压和较大的频率范围内，太阳电池的变化表明了在电荷聚集中一个动态的改性。这一观察结果与先前观察到的不同的动态滞后响应有很好的相关性。

图3 器件的滞后现象和阻抗分析

（a）电池的J-V扫描曲线

（b）在黑暗条件下得到的电容的绝对真实值

（c）低频率电容和应用电压的变化关系图

为了研究在钙钛矿和电子传输层处的作用，作者用瞬态吸收光谱研究了动态的光学性质，如图4所示。在三个不同的器件中，作者固定了激发密度常数，这就确保了相似的载流子密度。如图a-c所示，在760 nm处，出现了一个负带的峰，这是光漂白现象。光漂白信号与电荷的密度成正比，并且它的动力学变化表明了电荷动力学。光漂白带的降低随时间的变化如图d所示。它表明了一个在100 ns范围内发生了快速的衰减，而后变化非常小。

图4 动态光学研究

（a）FTO/perovskite界面瞬态吸收光谱的变化

（b）meso-TiO₂/perovskite界面瞬态吸收光谱的变化

（c）600 nm入射光脉冲激发的瞬态吸收光谱的变化

（d）器件在760 nm处的动力学

【 小结 】

虽然人们普遍认为，对光伏的作用的选择性接触是通过控制内置的电压来实现的。但是，本文中，作者表明，这是取决于钙钛矿材料中费米能级的内部重组和劈裂。对于光生载流子来说，电场并不是占主导地位的电荷提取机制。在金属氧化物/钙钛矿界面的基础上，不同的电子接触可以体现出相似的电子行为。此外，接触的性质可以极大地影响界面电荷积聚的动态响应。

【 文献信息 】

Influence of Charge Transport Layers on Open-Circuit Voltage and Hysteresis in Perovskite Solar Cells（2018，DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.02.013）

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

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