Solar RRL: 无机界面材料的有机钝化-助力钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池十年前横空出世,短短数年效率已经接近晶硅电池,稳定性也有巨大提升,被视为下一代最有潜力的太阳能电池技术。

界面工程对于实现高效率和高稳定性的钙钛矿太阳能电池十分重要,香港理工大学电子及资讯工程学系李刚教授课题组最近针对这一问题,引入了一种新的界面工程方法:即用 聚(环氧乙烷)(PEO)修饰二氧化锡SnO2量子点(QD)薄膜,用来提高电子的传输。研究发现,当PEO薄膜在其玻璃转变温度下退火时,PEO薄膜中的醚 – 氧非共用电子对可被活化,与SnO2 QD和钙钛矿界面处的金属离子形成交联复合物,从而诱导钙钛矿前体薄膜异相成核,有利于获得均匀致密的钙钛矿薄膜,钝化SnO2 QD与钙钛矿之间的界面缺陷,从而促进电子从钙钛矿层向阴极的转移。基于PEO处理的SnO2 QD 钙钛矿太阳能电池表现出效率的增强,最高能量转换效率为20.23%,具有良好的重现性和稳定性。

聚(环氧乙烷)PEO是一种强亲和力的聚合物,可以很容易地与其他低分子有机物、聚合物或者一些无机电解质发生反应形成新的复合物。 因此,PEO的性质在熔化后会发生变化。PEO(0.1M和5.0M)的红外吸收光谱如图1所示。退火后,在范围1593-1654 cm-1和 1718 cm-1出现新的吸收峰,这些峰属于羧基基团COO-的吸收峰(如图1a所示),这表明在空气环境中退火,PEO发生氧化退化,形成羰基(C=O)基团吸收。当把PEO薄膜铺在SnO2 QD薄膜上时,虽然这些峰也会出现,但它们的峰强度却发生了明显的变化(图1b空气中、图1c手套箱中退火)。对于在手套箱中退火的薄膜PEO样品,它们的峰强度没有明显差异,并且峰值略微偏移到更高的波数侧。 然而,值得注意的是,在1590-1750cm-1区域中没有新峰存在,这表明PEO可以避免氧化降解导致的去结晶并保持其交联反应活性。为了验证这一结论,我们进一步研究了纯PEO薄膜和掺杂SnCl2(SnO2前体)或掺杂PbI2的PEO薄膜的FTIR光谱(如图1d所示)。发现在1120, 1148, 和 1361 cm-1 的峰强已经弱化,并且峰位分别偏移到1114, 1175, 和 1378 cm-1。在840-1400 cm-1范围的峰和2888 cm-1峰消失,位于2856, 2920和2958 cm-1的新峰出现,它们分别属于-CH2 (symmetric), -CH2 (asymmetric)和 -CH3 (asymmetric) 振动。值得注意的是,位于1750 cm-1,出现一个大振动峰,它属于C=O基团的振动峰。这些结果表明,过渡金属离子(如Sn2 +,Pb2 +)引入PEO可以通过PEO的醚-氧缩短PEO骨架,形成羰基/羧基。因此,PEO内在峰的弱化、形成羰基/羧基等证据为PEO与SnO2 QD(或钙钛矿层)发生相互作用提供了有力的证据。

图1. (a)  PEO 粉末的FTIR 图谱,  在 FTO/SnO2 QD 衬底上 (b) 空气中 (c) 手套箱中 退火的PEO 薄膜的FTIR 图谱. (d) 四种FTIR 图谱:经过/没经过SnCl2 掺杂的PEO (0.1 M) 薄膜, 及有/无PEO (0.1 M) 薄膜覆盖的钙钛矿薄膜。 

该研究表明,适量PEO的加入在SnO2 QD和钙钛矿之间的界面处形成与金属离子的络合物。在PEO玻璃转变温度以上退火的辅助下,PEO的交联行为可以触发钙钛矿前体膜上的异相成核,消耗大量PbI2并形成均匀致密的钙钛矿膜,有利于钝化钙钛矿薄膜的体缺陷以及SnO2 QD薄膜和钙钛矿活性层之间的界面缺陷,促进钙钛矿层中的电子到阴极的快速转移。该方法显著减少了迟滞效应,有效提高了n-i-p型钙钛矿电池的效率 – 能量转换效率达到20.23%。 

 图2. (a) n-i-p型钙钛矿电池结构;(b) J-V 曲线及界面钝化原理图。

该研究揭示了一种新的界面钝化机制,而且为实现高效、高稳定、低成本的钙钛矿电池提供了一种简单、有效的界面工程研究方向。相关论文在线发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201900134) 上。

注:第一作者秦平力博士,现任教于武汉工程大学光电信息与能源工程学院。