Nano Select:SnO2/NH4Cl-SnO2双电子传输层提升钙钛矿太阳能电池的工况稳定性

氧化锡(SnO2)由于具有与钙钛矿匹配的能级、较高的电子迁移率和可低温溶液法制备等优势,被广泛用作钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells, PSCs)的电子传输材料。提高SnO2薄膜质量和改善SnO2/Perovskite界面是提高器件的光电转换效率和工况稳定性的重要策略。

最近,华侨大学魏展画教授课题组的谢立强博士提出了一种基于SnO2/NH4Cl-SnO2双电子传输层的平面n-i-p钙钛矿太阳能电池结构(图1a)。底部的SnO2电子传输层保留了体相电子迁移率高的优势。顶部的NH4Cl-SnO2功能层改善了电子传输层/钙钛矿的界面能级匹配,提高了界面的稳定性。经优化,最终制备出了光电转换效率为21.01%,工况寿命T80为1090 h的高效、稳定的钙钛矿太阳能电池。

研究表明,要制备厚度适中的电子传输层,才能有效地阻挡空穴、减少界面处的非辐射复合,保证良好的电子抽取能力,从而提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和性能重现性。基于厚度约为48 nm的SnO2电子传输层的钙钛矿太阳能电池性能最佳(如图1b)。

图1  (a) 基于SnO2/NH4Cl-SnO2器件结构示意图, (b) SnO2层的厚度调控, (c)器件中涉及的材料能级位置图。

如图1 c所示,经NH4Cl-SnO2改性后的电子传输层具有更低的导带底能级(CBM),从而能减少SnO2/Perovskite界面之间的电子传输势垒,减少开路电压VOC损耗。因此,SnO2/NH4Cl-SnO2和双层SnO2相比,具有更有效的电子提取能力,且NH4+对SnO2/Perovskite界面能产生钝化作用,使得基于SnO2/NH4Cl-SnO2双电子传输层的钙钛矿薄膜相较于双层SnO2组的缺陷浓度更低(图2)。

图2 (a) 钙钛矿薄膜的稳态荧光光谱;(b) 单电子器件的缺陷态密度表征;(c) 瞬态光电压衰减

此外,由于NH4Cl添加剂具有弱酸性,能降低SnO2前驱体溶液的碱性(商品化的SnO2纳米溶胶中添加了KOH作为稳定剂),从而减缓钙钛矿在界面处的降解。基于SnO2/NH4Cl-SnO2结构器件的电子传输层薄膜质量的提升和SnO2/Perovskite界面的改善,器件的工况稳定性得到进一步的提升。优化后的器件在1个太阳光的辐射强度下在最大功率点处连续工作的T80达到1090 h,而基于双层SnO2的对照组器件T80仅为278 h(图3)。

图3 (a) 器件的迟滞效应;(b) 优化后器件的300s最大功率点跟踪;(c) 工况稳定性持续跟踪测试

该项工作针对电子传输层和钙钛矿之间的界面进行优化,为研究制备高效稳定的平面钙钛矿太阳能电池提供了新的设计思路。

论文信息:

Double‐layered SnO2/NH4Cl‐SnO2 for efficient planar perovskite solar cells with improved operational stability

Peiquan Song, Lina Shen, Lingfang Zheng, Kaikai Liu, Wanjia Tian, Jingfu Chen, Yujie Luo, Chengbo Tian, Liqiang Xie, Zhanhua Wei

Nano Select

DOIfull/10.1002/nano.202000306