Solar RRL:氧化镍退火过程中氧分压对钙钛矿太阳能电池的重要性

2012年,Nam-Gyu Park课题组首次报道了全固态钙钛矿太阳能电池,并取得了9%的光电转换效率和长达500小时的空气稳定性。由于钙钛矿材料具有较高的光吸收系数,在短短的6年中,钙钛矿太阳能电池效率取得了突飞猛进的增长。截至目前,已获得了23.7%的认证效率。在倒置p-i-n钙钛矿电池中,通常采用宽带隙和热稳定性良好的NiO作为空穴传输层。由于NiO具有较差的导电性和较低的迁移率,人们通常采用离子掺杂的方法来改善NiO的电学性能。除此之外,调节退火过程中的氧含量是另一种改善NiO电学性能的简便方法。氧含量的改变可以使NiO中的镍/氧比发生变化,一个Ni2+空位可以产生两个Ni3+离子,而Ni3+离子的形成则决定了NiO的p型特性。因此,研究NiO退火过程中的氧含量对于提高倒置钙钛矿太阳能电池效率具有重要的意义。

近日,Nam-Gyu Park 课题组在Solar RRL上报道了退火氛围及氧分压对氧化镍空穴传输层的影响以实现高效倒置p-i-n钙钛矿电池。用溶胶-凝胶法旋涂制备的NiO薄膜分别在O2,air,N2和Ar四种氛围中退火,并以此为空穴传输层制备钙钛矿电池。与N2和Ar中退火的NiO薄膜相比,氧过量条件下(air和O2)得到的NiO薄膜具有更好的导电性和更高的迁移率,使得钙钛矿电池获得了更高的光电流和光电转换效率。这表明了氧气过量条件对于NiO形成p型特性具有至关重要的作用。与此同时,研究还发现用空气退火的NiO薄膜制备的电池效率比O2退火条件下的电池效率要高(air-15.68%,O2-14.93%)。通过荧光测试分析发现,纯O2退火条件下制备的NiO薄膜的空穴萃取能力较差,导致光生载流子不能被充分收集。这表明了氧分压的重要性,不仅决定了NiO空穴选择层中的载流子传输效率,还影响了钙钛矿和NiO界面的空穴收集效率。通过仔细调控NiO退火氧分压,当氧含量接近30%(O2/(O2+N2))时,钙钛矿电池实现最优性能(PCE=16.32%)。这项研究为提高倒置NiO钙钛矿电池效率提供了科学依据。

相关文章在线发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201800339)上。