基于協同鈍化策略制備高性能柔性鈣鈦礦太陽能電池

王輝 鄭德旭 姜簫 曹越先 杜敏永 王開 劉生忠? 張春福

1) (西安電子科技大學微電子學院,西安 710071)

2) (中國科學院大連化學物理研究所,大連 116023)

3) (中國核能電力股份有限公司市場開發部,北京 100045)

柔性鈣鈦礦太陽能電池由于可彎曲、重量輕、高功質比等特點,受到廣泛關注.提升柔性鈣鈦礦太陽能電池轉換效率最有效的策略是鈍化鈣鈦礦薄膜內部的晶界缺陷以及鈍化鈣鈦礦薄膜與電荷傳輸層的界面缺陷.本文設計制備了以柔性聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene glycol terephthalate,PET)為基材的柔性反式鈣鈦礦太陽能電池,采用了辛基氯化胺(octadecylamine hydrochloride,OACl)添加劑及表面鈍化的協同鈍化策略,提高了鈣鈦礦薄膜的結晶質量,改善了鈣鈦礦薄膜內部及界面處的缺陷,并最終得到了光電轉換效率為20.80%的柔性反式鈣鈦礦太陽能電池.本文為制備高效柔性鈣鈦礦太陽能電池提供了一種有效策略.

1 引言

作為新型薄膜太陽能電池,鈣鈦礦太陽能電池具有高的光吸收系數、較長的載流子擴散長度、光學帶隙可調、可溶液制備、工藝及器件結構簡單以及成本較低等優勢,得到廣泛研究[1,2].目前,小面積剛性鈣鈦礦太陽能電池的轉換效率已達26.14%[3],與晶體硅太陽能電池的轉換效率(26.81%)十分接近[3],展示了巨大的發展潛力和應用前景.此外,鈣鈦礦太陽能電池還可制備在不銹鋼、塑料等基底上,形成柔性鈣鈦礦太陽能電池,具有可彎曲、重量輕、高功質比等特點[4-6],可應用于可穿戴智能電子設備、臨近空間飛行器等領域[7-9].目前,小面積柔性鈣鈦礦太陽能電池的轉換效率可達24.08%[10],大面積(48.90 cm2)柔性鈣鈦礦太陽能電池的轉換效率為18.35%[11],但與剛性鈣鈦礦太陽能電池還有一定差距.因此,需要進一步提升柔性鈣鈦礦太陽能電池轉換效率.

鈣鈦礦薄膜中內部晶界的缺陷以及鈣鈦礦薄膜與電荷傳輸層的界面缺陷是限制光電轉換效率的重要因素[12].尤其是鈣鈦礦薄膜與電荷傳輸層的界面缺陷,其缺陷態密度是鈣鈦礦薄膜內部缺陷的1—2 倍[13].提升鈣鈦礦太陽能電池轉換效率最有效的策略是減少鈣鈦礦薄膜內部晶界處的缺陷復合以及鈣鈦礦薄膜與電荷傳輸層處的界面缺陷復合.鈍化鈣鈦礦薄膜內部缺陷的方法有采用可交聯的添加劑,比如三羥甲基丙烷三丙烯酸酯,鈍化晶界的缺陷[14,15],采用長鏈烷基胺配體來重組晶界[16],采用烷基銨添加劑自組裝成2D 鈣鈦礦來鈍化鈣鈦礦晶界[17]以及采用離子液體[18],比如1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate,BMIMBF4)等.鈍化鈣鈦礦薄膜與電荷傳輸層的界面缺陷方法有物理去除法[19]、溶液二次生長法[20]以及埋底界面方法等[21].

在鈍化鈣鈦礦薄膜內部晶界處的缺陷方面,葛子義等[10]合成了一系列具有不同分子偶極子的—CN 添加劑,添加劑中的兩個—CN 基團可以與Pb2+缺陷配位,氟原子可以調節添加劑的偶極矩,并與帶電荷的FA+基團形成氫鍵,經過添加劑改性后,柔性鈣鈦礦太陽能電池轉換效率達24.08%.李耀文研究組[22]采用交聯劑4,5-(3-甲基氧雜環丁烷)二羧酸咪唑(4,5-(3-methyloxetane) dicarboxylate imidazole,MZ)用于精確調節結晶動力學,MZ 可以與Pb2+配位形成碘化鉛薄膜的介孔支架,增加鈣鈦礦晶體形成的活化能,制備的0.062 cm2柔性鈣鈦礦太陽能電池認證效率為23.57%.馮江山等[23]采用雙功能三氟苯乙酸(bifunctional trifluorophenylacetic acid,TFPA)獲得高質量鈣鈦礦薄膜的修補策略,TFPA 中的—COOH 基團通過與鈣鈦礦晶粒表面的Pb 簇結合,有效地鈍化鈣鈦礦的深能級缺陷,從而提高鈣鈦礦太陽能電池的效率,柔性鈣鈦礦太陽能電池效率達22.65%.康博南等[24]使用兩步順序沉積法摻入季銨鹵化物(quaternary ammonium halide,QAH)添加劑來制備蓬松多孔碘化鉛層的新技術,采用2-(乙酰氧基)-N,N,N-三甲基氯化乙烷(2-(acetyloxy)-N,N,N-trimethylethanium chloride,AtaCl)添加劑的柔性反式鈣鈦礦太陽能電池實現了21.10%的轉換效率.陳義旺研究組[25]通過摻入天然可聚合小分子α-硫辛酸(α-lipoic acid,LA)來提高柔性鈣鈦礦太陽能電池的光伏效率和機械穩定性,制備的柔性反式鈣鈦礦太陽能電池實現了19.03%的效率,并具有突出的運行穩定性.

在鈍化鈣鈦礦薄膜與電荷傳輸層處的界面缺陷方面,董化研究組[26]通過引入具有共軛剛性結構的富含—NH3+的脯氨酸鹽酸鹽(proline hydr ochloride,PF)作為埋入界面的通用介質,防止了相變引起的降解.經過PF 改進的柔性鈣鈦礦太陽能電池小面積(0.0601 cm2)認證效率為23.51%.楊君友等[27]通過使用含Ce 的化合物(Ce2(SO4)3和Ce(SO4)2)雙修飾策略分別去抑制SnO2/鈣鈦礦和鈣鈦礦/spiro-OMeTAD 界面缺陷,制備的柔性鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率為19.34%.魯建峰研究組[28]設計并合成了一類新型鹵化物取代銨鹽,即n-溴苯乙基銨(n-Br-PEAX,n=2 或4,X=Cl 或Br)來修飾埋底界面以及優化鈣鈦礦結晶.柔性鈣鈦礦太陽能電池的效率從15.4%提高到20.2%.

本文提出了一種有效的協同鈍化方法,使用辛基氯化胺(octadecylamine hydrochloride,OACl)作為添加劑,來促進鈣鈦礦結晶度,增大晶粒減少體缺陷,同時使用OACl 作為界面修飾材料,鈍化鈣鈦礦/電子傳輸層界面和晶界,減少界面復合,進一步減少缺陷復合,從而提升光電轉換效率.本工作探索了協同鈍化方法,這種策略比單鈍化方法,更能有效地鈍化鈣鈦礦缺陷,為制備高效的柔性鈣鈦礦太陽能電池的研究提供了有效策略.

2 實驗部分

2.1 實驗材料與試劑

碘化鉛、溴化鉛、碘化銫、甲基溴化銨、甲脒氫碘酸鹽、甲基氯化銨、OACl、浴銅靈(bathocuproine,BCP)均從西安浴日光能股份有限公司購置.[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(phenyl-C61-butyric acid methyl ester,PCBM)從優選科技公司購置.N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亞砜從阿拉丁公司購置.氯代苯從國藥公司購置.異丙醇從默克西格瑪公司購置.聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene glycol terephthalate,PET)基材從利博科技公司購置.銀蒸發料、氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)磁控濺射靶材、氧化鎳(mickel oxide,NiOx)蒸發料從中諾新材公司購置.

2.2 器件的制備

將250 μm 厚的PET 基材撕去保護膜,貼于卷對卷磁控濺射腔體內,進行抽真空操作.待真空度低于10 mTorr (1 Torr=133.32 Pa)時,在其上濺射ITO 透明電極,功率為300 W,工作氣壓為2 mTorr,氣體為99.9999%高純氬氣,標準狀況下流量為45 mL/min,卷繞速度為0.2 r/min,以此制得了PET/ITO 基材.將PET/ITO 基材置于電子束蒸發腔體內,進行抽真空操作,待真空度低于10 mTorr 時,蒸發35 nm 的氧化鎳,以此制得PET/ITO/NiOx襯底.將所制得PET/ITO/NiOx襯底用裁紙機裁成2.5 cm×2.5 cm 供旋涂使用.

將2.5 cm×2.5 cm 的PET/ITO/NiOx襯底置于紫外臭氧處理設備中,處理60 s 增加表面浸潤性以供旋涂使用.在氮氣手套箱中稱取1.425 mmol碘化鉛,0.075 mmol 溴化鉛,1.35 mmol 甲脒氫碘酸鹽,0.075 mmol 碘化銫、0.075 mmol 甲基溴化銨和0.45 mmol 甲基氯化銨置于樣品瓶中,加入800 μL N,N-二甲基甲酰胺和200 μL 二甲基亞砜.將其放置于磁力攪拌器上攪拌6 h.最后,使用一個孔徑為0.45 μm 的濾芯將其過濾,得到金黃色澄清的鈣鈦礦前驅體溶液.將1.5 mol/L Cs0.05FA0.90MA0.05Pb (I0.95Br0.05)3:MACl(30 mol%)的鈣鈦礦前驅體溶液旋涂在PET/ITO/NiOx襯底上,采用5000 r/min,40 s 的旋涂方式,在剩余15 s 時滴加150 μL 氯代苯反溶劑,然后將其置于熱板上110 ℃退火30 min.對于添加劑修飾,只需在前驅體溶液中加入0.5 mol%的OACl,其余制備方式與標準樣品一致.退火完成后,待基片冷卻后,在其上以4000 r/min,30 s 旋涂PCBM 氯苯溶液,濃度為20 mg/mL,再以5000 r/min,60 s 旋涂BCP 飽和異丙醇溶液,最后置于熱蒸發設備中蒸鍍160 nm的銀電極.對于界面修飾樣品,在旋涂PCBM 氯苯溶液之前,以6000 r/min,60 s 旋涂0.5 mg/mL的OACl 異丙醇溶液,并100 ℃退火10 min.

2.3 測試與表征

X 射線衍射(X-ray diffraction,XRD)用Cu Kα1SmartLab 衍射儀分析(λ=1.541 ?,1 ?=10-10m).場發射掃描電子顯微鏡(field emission scanning electron microscope,SEM)使用日立SU8020 進行拍攝分析.光電流密度-電壓特性曲線使用Newport Thermal Oriel 91 192 太陽光模擬器及Keithley2450 數據源表在 AM 1.5G,100 mW/cm2照明下測量,電池有效面積為0.09 cm2.空間電荷限制電流(space charge limited current,SCLC)測量在暗態下使用Keithley 2450 數據源表.阻抗及莫特-肖特基分析使用ZENNIUM,Zahner 分析儀.原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)圖像用Bruker Dimension Icon 儀進行拍攝分析.穩態及瞬態光致發光(photoluminescence,PL)使用愛丁堡儀器有限公司FLS920 譜儀在室溫空氣中記錄.

3 結果與討論

3.1 鈍化策略對鈣鈦礦薄膜形貌及物相的影響

鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化效率很大程度上受到鈣鈦礦層結晶程度、晶體形貌的影響,為了更直觀地了解本研究工作中的改性手段對鈣鈦礦形貌的具體影響,使用SEM 來觀察不同鈣鈦礦樣品的表面形貌.圖1(a)—(c)分別為空白鈣鈦礦薄膜,OACl 添加劑鈍化的鈣鈦礦薄膜,OACl 添加劑及表面鈍化的鈣鈦礦薄膜SEM 圖片.基于SEM的結果,在圖1(a)中,可以看到有明亮的異常放電區域,這些異常放電區域歸因于溶液中過量的碘化鉛,過量的碘化鉛可以促進鈣鈦礦的結晶,但過量的碘化鉛組分缺少了與其螯合配位的組分位點,在結晶后形成了碘化鉛相,這會限制鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率[29].同時,空白鈣鈦礦薄膜晶粒與晶粒之間的晶界過多且晶粒偏小,這是引起缺陷復合的因素之一,會很大程度上限制鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化效率.因此我們嘗試將OACl 添加到鈣鈦礦前驅體溶液中,讓其與多余的碘化鉛配位來解決該問題.經過OACl 添加劑鈍化后(圖1(b)),可以看到鈣鈦礦的晶界變得更加緊密,晶粒與晶粒之間的結合變好,異常放電的明亮區域大幅度減少,同時更重要的是從該SEM 結果中發現,經添加劑鈍化后鈣鈦礦的晶粒明顯增大,從圖1(d)中可以看出,晶粒尺寸最大可達400 nm,這對于鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率也有著正向的促進作用.雖然OACl 作為添加劑鈍化后晶界變得相對緊密,但還是可清晰地看到晶界縫隙,因此繼續使用OACl 作為表面鈍化材料來鈍化鈣鈦礦表面,以進一步改善晶界質量.由圖1(c)可以看到,繼續進行OACl 表面鈍化后,鈣鈦礦的結晶得到了很大程度的改善,可以推測為OACl 填充了原本鈣鈦礦的晶界,起到了鈍化表面缺陷的目的,這也會對鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率有所提升.從圖1(d)可以看出,經過OACl 添加劑及表面鈍化后,大尺寸晶粒的數量增多,晶粒尺寸最大可達600 nm.

圖1 鈣鈦礦薄膜的SEM 圖片 (a)空白鈣鈦礦薄膜;(b) OACl 添加劑鈍化的鈣鈦礦薄膜;(c) OACl 添加劑及表面鈍化的鈣鈦礦薄膜.(d) 鈣鈦礦薄膜晶粒尺寸數量分布柱狀圖Fig.1.SEM images of perovskite film: (a) Control perovskite film;(b) perovskite with OACl doping;(c) perovskite with OACl doping and interface modification.(d) Column chart of corresponding sizes counted by the SEM images.

為了進一步驗證改性手段對鈣鈦礦薄膜形貌的影響,針對空白鈣鈦礦薄膜,OACl 添加劑鈍化的鈣鈦礦薄膜和OACl 添加劑及表面鈍化的鈣鈦礦薄膜進行原子力顯微鏡(AFM)測試.由圖2(b)可以看出,相比空白鈣鈦礦薄膜,OACl 添加劑鈍化的鈣鈦礦薄膜的均方根(root-mean-square,RMS)粗糙度降低為25.5 nm,這主要是由于添加劑降低了鈣鈦礦薄膜的結晶速率,使形成的鈣鈦礦薄膜更加光滑.由圖2(c)可以看出,經過OACl 添加劑及表面鈍化后,鈣鈦礦薄膜的表面變得更加平整,RMS 粗糙度降低到22.4 nm.這主要歸因于表面鈍化的OACl 填充了晶界處的區域,這也與圖1(c)的SEM 所顯示的結果相符.

圖2 鈣鈦礦薄膜AFM 圖片 (a) 空白鈣鈦礦薄膜;(b) OACl 添加劑鈍化的鈣鈦礦薄膜;(c) OACl 添加劑及表面鈍化的鈣鈦礦薄膜Fig.2.AFM images of perovskite film: (a) Control perovskite film;(b) perovskite with OACl doping;(c) perovskite with OACl doping and interface modification.

由以上可知,OACl 添加劑及表面鈍化對鈣鈦礦薄膜微觀形貌的改善有著重要意義,因此針對以上所述鈣鈦礦薄膜進行XRD 測試,來進一步研究本工作中的改性手段對鈣鈦礦結晶的影響.圖3 展示了空白鈣鈦礦薄膜,OACl 添加劑鈍化的鈣鈦礦薄膜,OACl 添加劑及表面鈍化的鈣鈦礦薄膜的XRD 圖譜,由于在前驅體溶液中過量碘化鉛的存在,圖3 中的空白鈣鈦礦薄膜(control)具有明顯的碘化鉛峰,在進行了OACl 添加劑鈍化后(with doping),碘化鉛的峰位明顯減弱,證明了OACl 添加劑與過量的碘化鉛進行了配位螯合,這與SEM 結果所顯示的異常放電區域減少相符合.同時經過OACl 添加劑及表面鈍化后,鈣鈦礦晶相的強度得到了提升,證明經過該協同鈍化后鈣鈦礦的結晶程度及薄膜質量得到了提升.

圖3 鈣鈦礦薄膜的XRD 圖譜Fig.3.XRD patterns of perovskite film.

3.2 鈍化策略對鈣鈦礦薄膜缺陷態影響

接下來針對不同的鈣鈦礦薄膜樣品進行了PL及TRPL 的表征.由圖4(a)可以看出,經過OACl添加劑及表面鈍化后,鈣鈦礦薄膜的PL 強度明顯提升,這與增大的晶粒有著直接的關系.鈣鈦礦薄膜的PL 強度增加的同時,其PL 峰位出現了略微的藍移,這是由于經過該兩種手段協同鈍化后,鈣鈦礦的晶界得到顯著的減少,且薄膜均勻性得到了提升[30],這些與前文所提及的SEM 及AFM 表征結果均符合.因此可以推測,經過OACl 添加劑及表面鈍化,鈣鈦礦薄膜的缺陷得到了很大的改善.此外,通過測量TRPL 光譜,利用雙指數模型擬合PL 衰減曲線來計算載流子壽命[31-33].載流子壽命可以用(1)式計算.平均壽命由(2)式計算得出:

圖4 對不同的鈣鈦礦薄膜表征 (a) PL 圖譜;(b) TRPL圖譜Fig.4.Different perovskite films were characterized: (a) PL results;(b) TRPL results.

其中,τ1是快速衰減分量的時間常數,τ2是慢衰減分量的時間常數;A1和A2為衰減幅度;B為常數[34].計算得到的載流子壽命具體參數如表1 所列.結果顯示經OACl 協同鈍化后的鈣鈦礦薄膜載流子平均壽命達426 ns,相比空白鈣鈦礦薄膜的載流子平均壽命(336 ns),提升了90 ns,表明經該協同鈍化手段后鈣鈦礦薄膜的非輻射復合明顯受到抑制.

表1 空白鈣鈦礦薄膜,OACl 添加劑鈍化的鈣鈦礦薄膜,OACl 添加劑及表面鈍化鈣鈦礦薄膜的TRPL 光譜擬合參數Table 1.Fitted parameters of control perovskite film,perovskite with OACl doping,perovskite with OACl doping and interface modification from TRPL spectra.

經過以上分析可知,經過協同鈍化后,鈣鈦礦的結晶和形貌得到了改善,該手段有利于提升鈣鈦礦的物理性能.因此使用SCLC 模型來對鈣鈦礦薄膜的缺陷態密度進行評測.評測時采用FTO/TiO2/perovskite/phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PCBM)/Ag 的單電子器件結構.圖5 展示了單電子器件在黑暗條件下的電流-電壓曲線.在低偏置電壓下,線性關系表示歐姆接觸.這個區域對于估計晶體的電導率是有用的.當偏置電壓超過陷阱填充極限電壓(VTFL)時,陷阱狀態被完全填充.然后,在陷阱填充區域,電流呈非線性快速增長.缺陷態密度可由(3)式進行比較:

圖5 鈣鈦礦薄膜的SCLC 圖譜Fig.5.SCLC results for perovskite film.

其中,L為鈣鈦礦膜厚度(500 nm),ε0為真空介電常數,ε 為鈣鈦礦的介電常數,e為電子電荷.不同的VTFL可由圖5 得到,且VTFL越小,對應的鈣鈦礦的缺陷態密度越小.經過添加劑(with doping)鈍化后,其對應的鈣鈦礦薄膜的VTFL變小,可視為其缺陷態密度減少,這主要歸因于SEM 中所呈現的更大的晶粒所帶來的正向作用.隨著OACl協同鈍化(with doping &interface),對應缺陷態密度進一步減小,這歸因于更平整的鈣鈦礦表面形貌.

3.3 鈍化策略對柔性鈣鈦礦太陽能電池性能的影響

經過以上的優化及分析,確定了在鈣鈦礦前驅體溶液中加入OACl 添加劑可以起到促進結晶,增大晶粒的作用.繼續使用OACl 作為表面鈍化材料可以進一步提升鈣鈦礦薄膜均勻性及平整度,改善晶界.且PL 及SCLC 分析表明這些改變可以很大程度上鈍化鈣鈦礦薄膜缺陷,降低缺陷態密度.因此推測其對于鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率有一定的改進作用.基于PET/ITO/NiOx/PVK/PCBM/BCP/Ag 的結構制備了柔性電池并在一個太陽光強度下(AM 1.5G,100 mW/cm2)測試該柔性鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率.圖6 展示了0.09 cm2柔性鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線.由圖6 可以看出,相對于空白鈣鈦礦薄膜所制備的電池(control),OACl 添加劑鈍化鈣鈦礦薄膜所制備的電池(with doping)其開路電壓(VOC)從1.07 V提高到1.12 V,且填充因子(FF)由70.86%提高到75.04%.這可以歸因于OACl 鈍化后鈣鈦礦薄膜更大的晶粒尺寸,更好的結晶強度以及相對緊密的晶界所帶來的缺陷的減少,并且推測這些作用可以抑制鈣鈦礦電池的載流子復合.OACl 添加劑鈍化后的柔性鈣鈦礦電池(with doping)的光電轉換效率(PCE)相比于空白鈣鈦礦薄膜所制備的電池(control)由18.08%提高到了20.12%.當繼續使用OACl 鈍化鈣鈦礦表面后所制備的柔性鈣鈦礦太陽能電池(with doping &interface),其開路電壓(VOC)進一步提高到1.15 V,填充因子(FF)進一步提高到76.15%,這得益于OACl 表面鈍化填充了大部分的晶界(圖1(c)),使得鈣鈦礦薄膜更加平整(圖2(c)),進一步減少了鈣鈦礦薄膜的缺陷,增強了鈣鈦礦與PCBM 的接觸,并且推測其可以使得復合程度進一步減弱.最終在OACl 添加劑及表面鈍化的協同作用下,得到了光電轉化效率為20.80%的柔性鈣鈦礦太陽能電池.電池具體參數列于表2 中.

表2 空白鈣鈦礦薄膜所制備的柔性電池,OACl 添加劑鈍化的鈣鈦礦薄膜所制備的柔性電池,OACl 添加劑及表面鈍化鈣鈦礦薄膜所制備的柔性電池的參數Table 2.Photovoltaic parameters for control perovskite solar cells,perovskite solar cells with OACl doping,and perovskite solar cells with OACl doping and interface modification.

圖6 鈣鈦礦薄膜制備的柔性電池的J-V 曲線圖Fig.6.J-V curves for solar cells prepared by perovskite films.

此外,基于莫特-肖特基模型針對PET/ITO/NiOx/PVK/PCBM/BCP/Ag 結構的柔性鈣鈦礦太陽能電池在暗態下進行了電化學測試.莫特-肖特基模型由(4)式表示:

這里,C表示空間電荷區電容,V表示外加電位,Vbi為內建電場,kB為玻爾茲曼常數,T為絕對溫度,ND為摻雜密度.如圖7 所示,擬合曲線沿x軸的截距即為內建電場.空白鈣鈦礦薄膜所制備的柔性電池的內建電場為0.68 V,OACl 添加劑鈍化所制備的柔性電池的內建電場為0.71 V,OACl 添加劑協同鈍化后的鈣鈦礦薄膜所制備的柔性電池的內建電場提高到了0.77 V.器件中較高的內建電場可以增加光生電荷載流子分離的驅動力,并構建了一個擴展的耗盡區來抑制電荷復合[35].基于以上分析,OACl 協同鈍化后大晶粒及良好的晶界所帶來的缺陷抑制,有效地促進了最終所制備的柔性鈣鈦礦電池內載流子的有效分離并同時抑制電荷復合,隨之而來的是開路電壓(VOC)及填充因子(FF)得到了有效提升,從而提高了電池的光電轉換效率.

圖7 鈣鈦礦薄膜制備的柔性電池的莫特-肖特基電化學曲線Fig.7.Mott-Schottky electrochemical curves of flexible cells prepared by perovskite films.

4 結論

本研究工作將OACl 作為鈣鈦礦前驅體溶液的添加劑,以此達到在鈣鈦礦薄膜制備的過程中鈍化鈣鈦礦薄膜內部缺陷的目的.結果表明,OACl添加劑增大了鈣鈦礦晶粒,促進了結晶強度,減少了鈣鈦礦晶粒之間的晶界.這些改進有效地減少了鈣鈦礦的缺陷,抑制了電荷復合,使柔性反式鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率由18.08%提高到了20.12%.此外,本研究工作采用了OACl 作為鈍化材料來鈍化鈣鈦礦薄膜表面,經過OACl 的表面鈍化,鈣鈦礦表面變得更加平整,晶界得到了進一步填充,進一步減了少鈣鈦礦缺陷,抑制了電荷復合,從而促進了鈣鈦礦太陽能電池中的載流子分離.通過OACl 協同鈍化作用,最終得到了光電轉換效率為20.80%的柔性反式鈣鈦礦太陽能電池.因此,本研究工作為柔性鈣鈦礦太陽能電池的光電轉效率優化提供了簡潔方便有效的優化手段及設計思路.本文開發的基于OACl 協同鈍化策略,有效地減少了柔性鈣鈦礦薄膜內部及界面處的缺陷,為柔性鈣鈦礦太陽能電池轉換效率的提升提供了實驗基礎.

感謝中國科學院大連化學物理研究所王開副研究員和姜簫的討論.