10001619_NiOx空穴传输层的表面修饰对钙钛矿电池性能的影响-solarbe文库

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NiOx空穴传输层的表面修饰对钙钛矿电池性能的影响杜亚雯，李跃龙，刘琳，黄伟，辛晨光，石标，丁毅，赵颖，张晓丹南开大学光电子薄膜器件与技术研究所，天津 300071 摘要NiO x 作为空穴传输层材料有稳定性好，与钙钛矿价带匹配等优势。然而，NiO x 也同样存在着与钙钛矿层界面接触差，导电性较差等缺点。为了改善 NiOx 层与钙钛矿层的界面特性，我们使用另外一种空穴传输层 PTAA 对 NiOx 与钙钛矿之间的界面进行修饰，从而提高钙钛矿薄膜质量以及 NiOx与钙钛矿层之间的界面特性。实验表明，经过界面修饰后，电池的性能有了明显的改善。关键字NiOx 空穴传输层；钙钛矿太阳电池；界面修饰 1. 研究背景与内容在目前 p-i-n 结构的钙钛矿太阳电池中，通常采用 PEDOTPSS 作为其空穴传输层，但是 PEDOTPSS 自身有一些缺陷，比如它的酸性，吸水性以及无法有效地阻挡电子，不利于钙钛矿电池的稳定性及进一步提高效率。所以一些无机空穴传输层开始被广泛地研究，其中 NiOx 层以其良好的稳定性，与钙钛矿匹配的价带以及简便的制备方法获得了广泛的关注。但 NiOx 作为空穴传输层也有一些缺陷，比如 NiOx 层与钙钛矿之间有比较差的界面接触，这限制了以 NiOx 为空穴传输层的钙钛矿太阳电池的效率。表面修饰是一个有效的办法来改善钙钛矿层与空穴/电子传输层之间的连接特性。PTAA 作为有机空穴传输层，能够有效地修饰界面，提高电池的各项性能，且 PTAA 层不会被钙钛矿的溶剂破坏。本文主要采用低浓度的 PTAA 溶液修饰 NiOx 与钙钛矿之间的界面，从而提高了钙钛矿层的质量以及提高了钙钛矿层和空穴传输层之间的载流子传输效率。从而提高了钙钛矿太阳电池的各项性能。 2. 研究结果与讨论 2.1 界面修饰对钙钛矿层的影响图 1 显示了 NiOx、PTAA 和 NiOx/PTAA 表面的水的接触角度和表面扫描电子显微镜（SEM）的图像，这些图像包括 NiOx/PVK、PTAA/PVK 和 NiOx/PTAA/PVK。图 1 所示的这些衬底的水接触角分别为 42.8、92.5 和 85.1，分别为 NiOx、PTAA 和 NiOx/PTAA。与裸 NiOx 表面相比, PTAA 或 PTAA 修饰 NiOxNiOx/PTAA表面测量接触角显著增加。据报道，衬底的润湿性的差异可以有效地调整钙钛矿颗粒的成核和生长过程，从而调整载流子传输和提取的过程。从 SEM 图中可以看出，衬底表面浸润性越差，钙钛矿平均晶粒尺寸越大，这一事实与 PTAA 或 NiOx/PTAA 表面的疏水性倾向于减少成核点的数量，并为更大的颗粒生长提供足够的空间是一致的。 2.2 界面修饰对电池性能的影响图二 a 展示了分别以 NiOx，PTAA ，NiOx/PTAA 为衬底钙钛矿太阳电池的 J-V 特性曲线，图二 b 分别是三种衬底的钙钛矿太阳电池对应的 EQE 曲线。从图二 a 中可以看出，相对于 NiOx 衬底的太阳电池，经过 PTAA 修饰的钙钛矿太阳电池有更高的短路电流和开路电压。有更高的电流是由于经过界面修饰以后，使钙钛矿晶粒尺寸增大，减少了钙钛矿层内部晶界，从而使体内载流子复合减少，同时也使薄膜体内残余的碘化铅数量减少，提高了电池的短路电流。而电池开路电压提高是由于经过界面修饰后，NiOx/PTAA 的能带结构使载流子传输更加顺畅，并且经过界面修饰后，界面连接性能增强，空穴传输层与钙钛矿之间的界面传输效率提高，界面缺陷减少，进而提高了电池开压，对电池的效率也有了显著的提高。PTAA 衬底的钙钛矿太阳电池电流和 FF 都明显降低，主要是由于 PTAA 衬底的浸润性比较差，导致钙钛矿层的薄膜质量不好，从而使钙钛矿电池效率较低。 3. 结论总之，我们使用了一种 NiOx/PTAA 的混合空穴传输层来提高基于 NiOx 衬底的 p-i-n 型平面钙钛矿太阳能电池的转换效率。短路电流的提高是由于钙钛矿结晶度的增强，更大的粒度和增强的薄膜质量，从而减少了陷阱的状态密度。PTAA 的修改大大促进了界面电荷的转移，使钙钛矿与 NiOx 层之间的界面特性改善，减少了界面之间的缺陷。因此，p-i-n 型平面钙钛矿太阳能电池的 PCE 在不显示迟滞效应的情况下，显著地提升了钙钛矿太阳电池的效率。效率（EQE）曲线获得的 Jsc 值与相应的 J-V 测量一致。参考文献 [1] Bai Y, Xiao S, Hu C, Zhang T, Meng X, Li Q, et al. A pure and stable intermediate phase is key to growing aligned and vertically monolithic perovskite crystals for efficient PIN planar perovskite solar cells with high processibility and stability. Nano Energy. 2017;3458-68. [2] Behrouznejad F, Tsai CM, Narra S, Diau EW, Taghavinia N. Interfacial Investigation on PrintableCarbon-Based Mesoscopic Perovskite Solar Cells with NiOx/C Back Electrode. ACS applied materials 93025204-15. [3] Guo Y, Yin X, Que W. NiO x mesoporous films derived from NiOH 2 nanosheets for perovskite solar cells. Journal of Alloys and Compounds. 2017;722839-45. 作者简介姓名张晓丹主要研究方向光电子薄膜与器件 Email xdzhangnankai.edu.cn 通信地址天津市南开区卫津路 94 号南开大学光电子薄膜器件与技术研究所