通過pH 值精細調控氧化鎳納米顆粒粒度提升反式鈣鈦礦太陽能電池性能*

尉淵 邢若飛 杜慧恬 周倩 范繼輝? 龐智勇 韓圣浩?

1) (山東大學微電子學院,濟南 250101)

2) (山東大學物理學院,濟南 250101)

氧化鎳作為一種低成本、高穩定性的空穴傳輸材料,在近些年被廣泛地應用在反式鈣鈦礦太陽能電池中.制備氧化鎳空穴傳輸層最常用的方法是旋涂氧化鎳納米顆粒分散液,因此對氧化鎳顆粒粒度以及溶液加工性能提出了很高的要求.本文通過精確控制合成過程中體系pH 值,實現了對氧化鎳納米顆粒粒度的調控,進而制備了高質量的氧化鎳空穴傳輸層.實驗表明合成體系pH 值為9.5—9.8 時,可以制得平均粒徑為5—10 nm 的氧化鎳納米顆粒,并且納米顆粒具有良好的分散穩定性.此外,通過對氧化鎳納米顆粒進行結構成分分析,發現由pH 值調控的粒徑變化并不會引起顆粒物質結構和成分的改變.通過表面形貌分析,由pH 值調控獲得的顆粒可制成致密且具有較小的粗糙度的薄膜,該薄膜展現出良好的空穴抽取能力.基于該薄膜的鈣鈦礦太陽能電池(MAPbI3)獲得了17.39%的光電轉化效率,并且幾乎沒有遲滯現象.本文的實驗結果表明,通過pH 值精細調控氧化鎳納米顆粒粒度可以有效提升鈣鈦礦太陽能電池的性能.本文的研究有望促進基于高性能氧化鎳空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池研究.

1 引 言

自2009 年被首次報道以來[1],鈣鈦礦太陽能電池發展迅猛,現在實驗室認證的光電轉化效率已經達到了25.7%[2],這足以和硅基太陽能電池相媲美,普遍認為其很可能是下一代商用太陽能電池.這樣迅速的發展速度和鈣鈦礦材料優異的材料性質直接相關,有機無機雜化鈣鈦礦材料具有高消光系數、空穴電子雙傳輸、長載流子遷移距離、易于加工制備等優點[3?5],被稱為“天然的光伏材料”.各種載流子傳輸材料也推動了鈣鈦礦太陽能電池的發展[6,7],現在高性能正式結構(n-i-p)鈣鈦礦太陽能電池普遍采用Spiro-OMeTAD 作為空穴傳輸層[8,9],但高成本和復雜的添加劑限制了其大規模商業應用.在反式結構(p-i-n)鈣鈦礦太陽能電池中,常用的空穴傳輸材料是PTAA[10?12]和PEDOT:PSS[13],這兩種有機材料也存在和Spiro-OMeTAD相似的問題,復雜的合成路徑和低穩定性也影響了其在太陽能電池中的應用.

氧化鎳(NiOx)作為一種穩定的低成本無機空穴傳輸材料在近些年備受關注[14].氧化鎳空穴傳輸層有多種制備方式,包括預制備納米顆粒、溶膠凝膠、原子層沉積、激光脈沖沉積、磁控濺射等[15].旋涂氧化鎳納米顆粒來制備空穴傳輸層是最常用的制備方式,其具有低溫制備、高重復性和低成本等特點,基于該方法的器件取得了氧化鎳基鈣鈦礦太陽能電池的最高效率,光電轉化效率達到了23.3%[16].在近些年,有大量關于氧化鎳納米顆粒空穴傳輸性能的研究被報道,Yin 等[17]研究了煅燒溫度對于氧化鎳顆粒成分結構的影響;Jiang等[18]研究了后退火溫度對于器件光伏性能的影響;He 等[19]在合成顆粒的過程中摻入了一定比例的銅元素,改善了氧化鎳材料的空穴傳輸性能,并獲得了18.66%的光電轉化效率;Ru 等[20]采用F2HCNQ修飾氧化鎳,有效地調整了其能級結構和導電能力,實現22.13%的光電轉化效率.但是關于氧化鎳納米顆粒粒度研究卻很少,合適的粒度對于制備高性能空穴傳輸層是十分重要的.并且在以往的工作中,很少涉及反應體系中pH 值對于顆粒合成的影響,這些細節性的問題嚴重影響了氧化鎳基鈣鈦礦太陽能電池的發展.本文通過精確調整合成體系中pH 值,對氧化鎳納米顆粒的粒徑進行了有效調控,得到了粒徑均一、分散穩定性高的氧化鎳納米顆粒.在無摻雜的情況下,基于該顆粒的鈣鈦礦太陽能電池獲得了17.39%的轉化效率.本文細致地分析了體系pH 值對于氧化鎳顆粒的影響,對將要進行氧化鎳顆粒合成的科研人員有很強的借鑒意義.

2 實驗部分

2.1 實驗藥品

六水合硝酸鎳(99%),氫氧化鈉(99%)購于國藥試劑公司.碘化鉛(PbI2,99.99%),甲胺碘鉛(MAI,99.5%),6,6-苯基C61 丁酸甲酯(PC61BM,99.5%),4,7-二苯基–1,10-菲羅啉(Bphen,99%)購于西安寶萊特公司.仲丁醇(C4H10O,99%),N,N-二甲基甲酰胺(DMF,99.5%),二甲基亞砜(DMSO,99.9%),氯苯(CB,99.99%)購于阿拉丁生化科技公司.氧化銦錫(ITO,125 nm)玻璃有效面積0.04 cm2.所有藥品和試劑均是直接使用,沒有做進一步純化處理.

2.2 氧化鎳納米顆粒的合成

將六水合硝酸鎳溶解在去離子水中,攪拌后獲得5 mol/L 的硝酸鎳溶液,隨后滴加氫氧化鈉水溶液(2 mol/L)直至溶液pH 值為 9.0,9.2,9.5,9.8和10.3,待pH 穩定后持續攪拌15 min,然后過濾得到氫氧化鎳固體.再用去離子水洗滌,之后再次過濾,此過程反復進行三次以清除固體中的NaNO3.然后將濾得物放置在烘箱中80 ℃烘烤6 h,將獲得的綠色氫氧化鎳固體研磨成末.最后將干燥后的綠色粉體置于馬弗爐中煅燒處理,煅燒溫度為270 ℃,保持2 h 后自然降溫至室溫,即得到黑色NiOx納米顆粒.

2.3 鈣鈦礦太陽能電池的制備

反式鈣鈦礦太陽能電池的結構是: ITO/NiOx/MAPbI3/PC61BM/Bphen/Ag.首先,將ITO 玻璃用去離子水、異丙醇、丙酮依次超聲清洗30 min,然后放置在異丙醇中備用.氧化鎳層的制備: 將氧化鎳粉末分散在去離子水中,濃度為20 mg/mL,在超聲波清洗機中超聲5 min 以獲得均勻的分散液,之后在ITO 表面旋涂,轉速為3000 r/min,勻膠時間為30 s,旋涂完成后在熱臺上130 ℃加熱15 min;鈣鈦礦層的制備: 采用一步反溶劑快速結晶法來制備.首先配制MAPbI3前驅液,將318 mg的MAI 粉末和922 mg 的PbI2粉末溶解在1 mL的DMF 和DMSO 混合溶劑中,DMF 和DMSO的體積比為8.8∶1.2,將配好的溶液滴加在NiOx上,6000 r/min 轉速下勻膠30 s,在開始勻膠10 s 后快遞滴加仲丁醇300 μL,最后在熱臺上100 ℃加熱15 min,即獲得制備好的鈣鈦礦層,整個過程在手套箱中進行;PC61BM 和Bphen 的制備: 將配制好的PC61BM 的氯苯溶液(20 mg/mL)旋涂在鈣鈦礦層上,轉速為3000 r/min,勻膠時間為30 s;隨后旋涂Bphen,Bphen 溶于異丙醇中濃度為0.7 mg/mL,轉速為6000 r/min,勻膠時間為30 s;銀電極的制備: 將制備好的三明治結構放置在真空蒸發臺上,覆蓋金屬掩模來控制電極面積,掩模的加工精度為50 μm.最后在真空度為8.0 × 10–4Pa 時蒸鍍Ag 電極,蒸發速率為0.1 nm/s,最終厚度為100 nm.

2.4 性能表征

采用TEM(日本電子,JEM-1011,日本)對NiOx納米顆粒形貌進行表征;采用納米粒度儀(馬爾文,Nano ZS,英國)對NiOx納米顆粒的粒度、分散性進行表征;采用XRD(Rigaku,SmartLab 9 KW,日本)和XPS(Thermo,Fisher ESCALAB,美國)對NiOx納米顆粒物相結構和組成進行表征;采用納米粒度儀(馬爾文,Nano ZS,英國)對NiOx納米顆粒的粒度、分散性進行表征;采用AFM(本原,CSPM5500,中國)對NiOx薄膜形貌進行表征;采用熒光光譜儀(FLS920,Edinburgh,英國) 對鈣鈦礦薄膜的光致發光和熒光壽命進行表征;采用SEM(FEI,Nova Nano,美國) 對鈣鈦礦薄膜表面形貌進行表征;采用源表(吉時利,2400,美國)和穩態太陽光模擬器(ABET,SUN3000,美國)組合對電池的光電性能進行表征;采用EQE (Enli tech,QE-R,中國)對電池的外量子效率進行表征;溶液pH 值由酸堿測量儀(Testo,206,德國)測得.

3 結果與討論

圖1 為合成體系不同pH 值合成的NiOx顆粒的透射電子顯微照片(TEM),從圖中可以看到,在pH 值范圍為9.0—10.3 之間制得的NiOx顆粒粒徑普遍在100 nm 以下.當pH 值為9.0 時,得到的NiOx顆粒粒徑最大,從圖1(a)中可以看到,粒徑在40—60 nm 的NiOx納米片;隨著pH 值升至9.2,NiOx納米顆粒粒徑下降到30 nm 左 右; 當pH 值在9.5 和9.8 的時候,氧化鎳顆粒的粒徑普遍在5—10 nm 之間,而且顆粒大小比較均一,通過對圖1(c) 和圖1(d) 中紅色框內的顆粒粒徑進行統計,平均粒徑分別為5.45 nm 和7.34 nm,統計分布直方圖見圖1(f).我們還通過納米粒度儀分析了NiOx納米顆粒的粒徑,圖1(g)為NiOx顆粒的納米粒度分布圖,反映了NiOx顆粒的分布趨勢,其中pH 為10.3 的顆粒具有兩個明顯的分布峰10.06 nm 和36.05 nm,而其他組都有單一的分布峰,相應的平均粒徑結果在圖1(h)中顯示,隨著pH 的增大平均粒徑顯示出先減后增的趨勢,制備過程pH 值為9.0,9.2,9.5,9.8 和10.3 的NiOx納米顆粒的平均粒徑分別為158.02,88.08,30.69,33.55 和46.99 nm.從納米粒度儀得到的平均粒徑明顯大于根據TEM 圖統計得到的數據,這是因為在溶液中表面帶有羥基的納米顆粒容易吸附一些離子,而且納米顆粒之間還存在不同程度的團聚,所以導致了平均粒徑偏大,但是納米粒度儀中得到的分布趨勢與TEM 中觀察到的結果一致.

圖1 合成體系pH 為(a) 9.0,(b) 9.2,(c) 9.5,(d) 9.8,(e) 10.3 的NiOx 納米顆粒的TEM 形貌圖;(f) TEM 圖粒徑統計;納米粒度儀測得的NiOx 納米顆粒;(g) 粒徑分布;(h) 平均粒徑Fig.1.TEM images of NiOx nanoparticles prepared at pH of (a) 9.0,(b) 9.2,(c) 9.5,(d) 9.8 and (e) 10.3;(f) particle size statistics for TEM image;(g) particle size distributions and (h) average particle size of NiOx nanoparticles measured by nanoparticle size analyzer.

NiOx納米顆粒的合成過程是先將Ni(NO3)2與NaOH 反應生成Ni(OH)2,然后將Ni(OH)2粉體煅燒來制得NiOx納米顆粒,所以產物的粒度和Ni(OH)2中間體的粒度直接相關,為此我們對相應的Ni(OH)2粉體進行了表征.圖2 為不同pH 值下Ni(OH)2顆粒的TEM 圖,可以明顯地看到當pH 值為9.0 時,氫氧化鎳具有最大的顆粒尺寸,當pH 值升高顆粒粒度下降,pH 值超過9.5 時,氫氧化鎳顆粒的粒徑下降到60 nm 左右,但是隨著pH 值繼續升高,顆粒之間團聚現象也開始變得明顯,當pH 為11.5 時甚至出現了圖2(f) 中微米級的團聚體.反應體系中的pH 值對Ni(OH)2顆粒的粒徑有著重要的影響,Ni(OH)2在水中溶解度很低,pH 值較低的情況下,溶液中的Ni+離子濃度較高,已成核的Ni(OH)2微晶更容易生長,在持續攪拌的過程中,Ni(OH)2顆粒持續長大,所以得到較大的平均粒徑[21];當pH 值升高,溶液中的Ni+離子濃度降低,氫氧化鎳大量析出,此時成核速度大于晶核生長速度,晶核不能持續生長,所以得到的顆粒粒徑較小;隨著pH 的繼續升高,生成了大量的顆粒,這些微粒具有很大的表面比,大量顆粒堆積起來容易發生團聚,形成較大的團聚體.導致pH 為10.3 組NiOx顆粒具有兩個分布峰的原因很可能是因為pH 升高部分Ni(OH)2顆粒發生嚴重團聚,最終影響了NiOx顆粒的粒徑分布.

圖2 調制pH 為(a) 9.0,(b) 9.2,(c) 9.5,(d) 9.8,(e) 10.3,(f) 11.5 得到的Ni(OH)2 粉體的TEM 形貌圖Fig.2.TEM images of Ni(OH)2 powers prepared at pH of (a) 9.0,(b) 9.2,(c) 9.5,(d) 9.8,(e) 10.3 and (f) 11.5.

NiOx顆粒粒徑直接影響其分散性,為此對各組顆粒在水溶液中的分散性進行了研究.圖3(a)為不同pH 制備的NiOx顆粒的Zeta 電位,Zeta 電位是膠體分散系穩定性的重要指標,Zeta 電位高表明其具有較好的穩定性.從圖3(a)中可以看出,Zeta 電位的趨勢與NiOx顆粒粒徑的趨勢相反,pH=9.5 組NiOx顆粒具有最高Zeta 電位52.2 mV,這說明小而均一的顆粒具有更好的分散穩定性.圖3(b)—(d)為靜置一定時間后,NiOx水溶液的實物照片,水溶液的濃度為10 mg/mL,可以看到pH=9.5 和pH=9.8 組的NiOx溶液在靜置70 天后依然保持著良好的分散,而制備體系pH 值較低的條件下得到的NiOx顆粒在21 天就出現了明顯的沉降,這與Zeta 電位的分析結果相一致.作為鈣鈦礦太陽能電池的空穴傳輸層的NiOx薄膜厚度通常只有20—30 nm,較好的分散性和較小的粒徑對于旋涂平整致密的NiOx空穴傳輸層是十分有利的.

此外,對NiOx納米顆粒的結構和成分進行了表征.圖4(a)—(e)為5 組NiOx的X 射線光電子能譜圖(XPS),對不同成分的分峰擬合結果在插圖中顯示,可以看出所有NiOx顆粒都是由NiO,Ni2O3和NiOOH 組成,并且各成分之間的比例都相近.圖4(f)為氧化鎳顆粒的X 射線衍射譜圖(XRD),不同的氧化鎳顆粒的峰位和強度之間沒有明顯的差別,這些都表明制備時的pH 值以及納米顆粒的粒徑對NiOx顆粒的物質結構和成分沒有明顯的影響.過去大量的工作表明了影響氧化鎳物質成分的因素主要是煅燒溫度,研究表明270 ℃是最佳的實驗溫度[17],本工作也采用了相同的煅燒溫度.

圖4 NiOx 納米顆粒的 (a)—(e) XPS 圖;(f) XRD 圖Fig.4.(a)–(e) XPS images of NiOx nanoparticles;(f) XRD image of NiOx nanoparticles.

圖5 是采用旋涂方法制備的NiOx薄膜,pH=9.5 組和pH=9.8 組NiOx顆粒在旋涂后得到了平整致密的NiOx薄膜,表面粗糙度分別為3.48 和3.69 nm;而pH=9.0 組和pH=9.2 組的NiOx顆粒制得的薄膜表面粗糙度較大,達到了18.9 和13.6 nm.圖5(a)中紅色虛線區域是暴露出的底部襯底,這表明大的顆粒粒徑對于制備致密NiOx薄膜是十分不利的.圖5(f)是pH=9.0 和pH=9.5組NiOx薄膜的截面輪廓圖,pH=9.0 組NiOx薄膜起伏達到了80 nm,而pH=9.5 組NiOx薄膜起伏小于10 nm,平整的表面對于制備平面鈣鈦礦太陽能電池是十分有利的.

圖5 合成體系pH 值為(a) 9.0,(b) 9.2,(c) 9.5,(d) 9.8,(e) 10.3 的NiOx 顆粒制備的薄膜的AFM 圖;(f) NiOx 薄膜截面輪廓圖Fig.5.AFM images of NiOx films prepared from different NiOx nanoparticles synthesized at pH (a) 9.0,(b) 9.2,(c) 9.5,(d) 9.8 and(e) 10.3;(f) cross-sectional profiles of NiOx films.

圖6 為基于NiOx薄膜的鈣鈦礦薄膜(ITO/NiOx/MAPbI3)的掃描電子顯微圖(SEM),圖6(a)—(e)中左側為高倍SEM 圖,各圖中具有相近的晶粒尺寸,表明襯底對鈣鈦礦薄膜的結晶性沒有太大的影響,右側圖為低倍SEM 圖,圖6(a)和圖6(b)中有明顯的突起,這是因為襯底較大起伏導致的.通常鈣鈦礦上層的電子傳輸層厚度在50 nm 左右,這樣的突起會嚴重影響上層電子傳輸層的覆蓋率,從而嚴重影響器件的性能.圖6(f)為ITO/NiOx/MAPbI3薄膜的熒光光譜圖(PL spectrum),熒光強度和鈣鈦礦薄膜的結晶性以及傳輸層的抽取能力相關,pH=9.5,pH=9.8 和pH=10.3 組薄膜的熒光強度相對較弱,在鈣鈦礦薄膜結晶性相近的情況下,較低的熒光強度表明氧化鎳層具有的更好的空穴抽取能力[22,23],pH=9.0 和pH=9.2 組薄膜的NiOx層粗糙度大,覆蓋率低嚴重影響了空穴的傳輸.我們對熒光強度差別最大的pH=9.0 和pH=9.5 組進行了熒光壽命的表征,兩種薄膜的衰減曲線都符合雙指數衰減,通常快衰減部分取決于載流子從鈣鈦礦層到傳輸層轉移過程,慢衰減部分則與鈣鈦礦層中自由載流子的輻射復合相關[24,25].圖6(g)中,pH=9.5 組的快衰減部分的占比明顯高于pH=9.0 組,這與PL 譜中的結果一致;并且pH=9.5 組的慢衰減部分的壽命明顯長于pH=9.0 組,這表明鈣鈦礦薄膜與空穴傳輸層之間的非輻射復合被抑制.以上分析都表明由小粒度NiOx顆粒制得的低粗糙度空穴傳輸層在制備鈣鈦礦太陽能電池過程中更具有優勢.

圖6 鈣鈦礦復合薄膜ITO/NiOx/MAPbI3 的 (a)—(e) SEM 圖,(f) PL 譜圖,(g) 熒光壽命圖.Fig.6.(a)–(e) SEM images,(f) PL spectra,and (g) PL decay spectra of perovskite film (ITO/NiOx/MAPbI3).

最后,在性能較好的4 組薄膜上制備了太陽能電池,器件結構為ITO/NiOx/MAPbI3/PC61BM/Bphen/Ag,表1 為4 組器件的具體性能參數,pH=9.5 組和pH=9.8 組的光伏性能明顯優于其他兩組,分別獲得了16.58%和16.48%的平均效率,最高效率達到了17.39%.得益于這兩組NiOx薄膜的優秀的空穴抽取能力和界面處較低的非輻射復合概率,電流和電壓性能明顯高于pH=9.2 組,同時平均FF 接近80%遠高于pH=9.2 組,這與NiOx薄膜良好的覆蓋率有關.圖7(a)—(d)分別為pH 值9.2,9.5,9.8 和10.3 各組電池中最佳器件的J-V曲線,pH=9.2 組最高效率為13.76%,具有明顯的遲滯,而其他組器件遲滯效應都很微弱,導致這樣的原因很可能是NiOx層和電子傳輸層傳輸載流子的能力不匹配,致使空穴在NiOx和鈣鈦礦層界面堆積,從而使電池的電容效應顯著[26].圖7(e)為4 組器件的外量子效率(EQE)圖,pH=9.2,pH=9.5,pH=9.8 和pH=10.3組器件的積分電流分別是17.92,20.52,20.27 和19.44 mA/cm2,這與J-V曲線中的電流值數據一致,驗證了測試的準確性.最后,還對最優電池進行了持續輸出測試,施加偏壓為0.94 V(最大功率輸出點),測試間隔為0.5 s,在測試初期輸出效率出現下降,然后穩定在16.7%—16.8%,在持續測試800 s 后保持了初始效率的96.5%.

圖7 基于NiOx 傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的 (a)—(d) J-V 曲線;(e) EQE 圖;(f) 最佳器件的穩態輸出曲線Fig.7.(a)–(d) J-V curves and (e) EQE spectra of NiOx transport layer-based perovskite solar cells;(f) steady-state output curve of the best device.

表1 基于不同NiOx 薄膜的鈣鈦礦太陽電池的光伏參數(每組10 個器件)Table 1. Photovoltaic parameters of perovskite solar cells based on different NiOx films averaged over 10 cells.

4 結 論

本文通過精確調節氧化鎳顆粒制備過程中溶液體系的pH 值,獲得了不同粒徑的氧化鎳納米顆粒.實驗表明當溶液pH 值在9.5—9.8 之間可以制得粒徑為5—10 nm 的氧化鎳納米顆粒;同時通過XRD 和XPS 的表征,表明一定范圍內pH 值的調節并不能改變顆粒的化學成分.粒徑小而且均勻的氧化鎳納米顆粒具有良好的分散穩定性,為溶液法制備薄膜提供了便利,通過旋涂很容易獲得平整致密的高質量氧化鎳薄膜.這樣的傳輸層薄膜可以改善其與鈣鈦礦的接觸,通過熒光壽命和熒光光譜的分析,表明界面處非輻射復合概率降低,空穴的抽取能力增強.通過pH 值精確調控氧化鎳顆粒粒度,成功將鈣鈦礦太陽能電池的平均效率從12.62%提升到16.58%.基于最優氧化鎳工藝的太陽能電池器件最高效率達到了17.39%.本項工作的研究結果表明通過精細調控氧化鎳粒度可以提升基于氧化鎳空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池效率,本研究有望促進氧化鎳基鈣鈦礦太陽能電池的研發和商業應用.