Solar RRL: 基于紫外臭氧处理的氧化镍空穴传输层的高效钙钛矿太阳电池

近些年来,以有机-无机卤化物钙钛矿材料制备的太阳电池由于简单的制备方法、较高的转换效率和较低的制备成本受到科学家越来越多的关注。相对于PEDOT:PSS、PTAA等有机物而言,氧化镍(NiOx)由于具有优异的化学稳定性、较高的电子迁移率以及和钙钛矿相匹配的能级结构被广泛用作空穴传输层来制备高性能的钙钛矿太阳电池。科学家普遍采用掺杂金属纳米粒子的方法来进一步提升NiOx的电荷传输性能以求获取更高的光电转换效率。然而,NiOx空穴传输层的电学性能受掺杂比例影响极大,该方法存在着掺杂比例难以精确控制和制备工艺复杂耗时等问题。如何通过简单的方法制备高性能的NiOx薄膜进而制备高效稳定的钙钛矿太阳电池是当前研究的热门话题。

上海交通大学太阳能研究所沈文忠课题组采用电化学沉积的方法制备出均匀的NiOx薄膜,并进一步采用紫外臭氧处理NiOx空穴传输层,提升薄膜的电导率和功函数,以此制备了反式结构的钙钛矿太阳电池,电池结构为FTO/NiOx/MAPbI3/PCBM/BCP/Ag。通过合理调控沉积过程中的电流密度和沉积时长,制备出了均匀致密的NiOx薄膜。采用紫外臭氧对NiOx处理不同的时长,可以显著调控NiOx中Ni/O的化学计量比和薄膜的电导率,并让其能带发生迁移,其价带顶与钙钛矿层更加匹配,有利于空穴的传输。扫描电镜表征结果表明经过紫外臭氧处理的NiOx薄膜更有利于形成大晶粒的钙钛矿薄膜。通过稳态和瞬态荧光光谱测试表明NiOx薄膜在紫外臭氧处理后具有更好的空穴提取能力。紫外臭氧处理NiOx的时长能显著调控钙钛矿太阳电池的开路电压(在1.01V~1.11V之间可调)。在最佳处理时长下, NiOx空穴传输层的电导率和功函数显著提升,制备的钙钛矿太阳电池效率高达19.67%(其中开路电压为1.11V,短路电流密度为23.39mA·cm-2,填充因子为75.59%),与参比样品相比,效率相对提升了13.6%。此外,器件在正反双向电压扫描过程中的迟滞现象基本被消除且不同区域的电流—电压曲线几乎完全重合,显示出较好的均匀性和稳定性。这一研究为制备高效稳定的钙钛矿太阳电池提供了新的思路。相关论文在线发表在Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201900045)上。

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