10001286_高效紫外稳定的平面钙钛矿太阳电池-solarbe文库

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高效紫外稳定的平面钙钛矿太阳电池刘成，杨熠，时小强，任英科，马爽，吴云召，丁勇 *，姚建曦 *，戴松元 * （华北电力大学可再生能源学院新型薄膜太阳电池北京市重点实验室，北京 102206）摘要本文利用双三氟甲烷磺酰亚胺锂（Li-TFSI）掺杂的 C60（Li-C 60）电子传输层，并应用在 n-i-p 结构的钙钛矿太阳电池中。我们发现简单的 Li-TFSI 掺杂使得 FTO 电极与钙钛矿之间有了更好的能级匹配，显着提高了电子传输层的电子迁移率，甚至进一步改善了 MAPbI3 的结晶，最终将光电转换效率从 15.3％提高到了 17.8％。最重要的是，与采用 TiO2 电子传输材料的电池相比，Li-C 60 的器件在紫外光的照射下，表现出了极好的紫外稳定性，甚至在氮气氛围下稳定了 3000 小时而不衰减。关键词掺杂，富勒烯，紫外稳定，钙钛矿太阳电池 1. 研究背景与内容目前高效钙钛矿太阳能电池通常使用高温烧结的 TiO2 作为电子传输层，尽管电子从钙钛矿层注入到二氧化钛的速度很快，但是二氧化钛仍然有一些难以克服的缺点导致电子复合速率很高（1）首先，TiO 2 的低电子迁移率容易导致电子在界面处的累计和复合。（2）其次，紫外线极其容易诱导诱导 TiO2 中大量氧空位的生成，这些氧空位会变成严重的缺陷，导致大量的电子捕获和复合。（3）另外，TiO 2 通常需要高温进行后退火处理以提高结晶度和载流子迁移率，高温过程使得 TiO2 绝对不适用于柔性器件的制备。此外，基于二氧化钛电子传输层的钙钛矿太阳电池的长期稳定性仍然不理想，因此迫切需要其他的低温电子传输材料来替代高温 TiO2。在此我们提出了低温溶液法制备的双三氟甲烷磺酰亚胺锂（Li-TFSI）掺杂的 C60（Li-C 60）电子传输层，并应用在 n-i-p 结构的钙钛矿太阳电池中。通过增加器件能级匹配，提高电子传输层的电子迁移率，改善 MAPbI3 的结晶，最终将平面钙钛矿太阳电池光电转换效率从 15.3％提高到了 17.8％，同时该器件表现出了极好的紫外稳定性，甚至在氮气氛围下稳定了 3000 小时而不衰减。因此，我们的工作为钙钛矿太阳电池提供了一种解决稳定性问题的方法，并为柔性电池的制备进行了有利的探索。 2. 研究结果与讨论图 1a 给出了我们所制备电池的器件结构，Li-C 60 薄膜、CH 3NH3PbI3（MAPbI 3）和 2,2′,7,7′- tetrakis N,N-di-p- methoxyphenylamine-9,9′-spirobifl uorene spiro-OMeTAD分别用作电子传输材料、钙钛矿吸收层和空穴传输材料。研究过程中，Li-C 60 和 C60 薄膜均用旋涂和低温加热（60 ̊C）的方法制备得到。为了研究电子传输材料中的电子转移动力学过程，我们制备了单载流子器件并建立 SCLC 模型，测算了 Li-TFSI 掺杂前后的富勒烯薄膜的相对电子迁移率（图 1b）。显然，基于 Li-C60 的单载流子器件具有更高的电流密度，这能表明相对于 C60 薄膜来说，Li-C 60 薄膜的具有更高的电子迁移率，更加有利于电子快速地通过电子传输层，有效地避免了界面处的电子累积和电子复合。此外，通过扫描开尔文探针（SKP）直接探测界面层引起的界面偶极变化，得到 FTO、FTO/C 60 和 FTO/Li-C60 的 WF 分别为 4.6 eV，4.5 eV 和 4.2 eV（图 1c）。值得注意的是，Li-TFSI 掺杂有效降低了 FTO/C60 的 WF，从而改善了 MAPbI3 和 FTO 之间的能级匹配，有效促进了电子的注入过程。图 1. （ a）采用 Li-C60 电子传输层的平面钙钛矿太阳电池；（ b） FTO/TiO2/ETLs/Ag 单载流子器件的电学特征；（c）FTO, FTO/C60, and FTO/Li-C60 的功函大小；（d）CH 3NH3PbI3 钙钛矿薄膜在 FTO/Li- C60、FTO/C 60 和 FTO/TiO2 衬底上的时间分辨瞬态荧光测试（激发波长 λ 485 nm）；（e）标准光强下 C60 和 Li-C60 基钙钛矿太阳电池的 J-V 特性（f ）Li-C 60、C 60 和 TiO2 器件。为了研究电荷传输的动力学过程，进行了 TRPL 衰变测量（图 1d）。FTO/Li-C 60/MAPbI3 和 FTO/C60/MAPbI3 膜的快速衰减时间分别为 1.28 ns 和 1.21 ns。FTO/C 60/MAPbI3 薄膜的平均 PL 衰减时间（τ ave）寿命为 38.99 ns，但当 C60 薄膜掺杂 Li-TFSI 时，τ ave 明显降低至 27.88 ns。这充分表明了电子传输地更快，电子提取更有效，缺陷浓度更低。如图 1e 所示，最终组装获得的 Li-C60 器件获得了短路电流密度（J sc）为 21.79 mA∙cm-2，开路电压（ Voc）为 1.02 V，填充因子（FF ）为 80.0％，有效地将光电转换效率从纯 C60 的 15.34％提高到 17.76％。从 J-V 曲线中可以看出 Li-C60 电池中的滞回效应远远小于 C60 的器件。如图 1f 所示，我们研究了器件的紫外稳定性。将电池一直暴露于紫外照射下，周围空气环境温度为 50℃，湿度为 45％。令人惊讶的是，基于 Li-C60 的器件表现出更优异的紫外稳定性，在 300 分钟的紫外照射下，光电转换效率没有任何衰减。基于 C60 的器件性能稳定，但有轻微下降， PCE 降至约 90％。相比之下，在相同的暴露和测试条件下，TiO 2 器件的光电转换效率急剧下降至 25％。我们认为基于 C60 器件的衰减归咎于钙钛矿层和电子传输层之间造成严重的电荷积累，此外，紫外光的能量有效地增强了界面处负电荷的积累，这会促进在钙钛矿材料的水分驱动分解。虽然 TiO2 同样也遭有严重的滞回现象，但是 TiO2 器件衰减主要是归因于 TiO2 固有的紫外不稳定性。一方面，在紫外光照射下，TiO 2 表面的光生空穴与表面氧空位吸收的氧结合，导致深陷阱态和严重的电子复合。另一方面，在紫外线照射下，TiO 2 的导带中的电子可以在氧的存在下将氧诱导成羟基自由基，促进了 MAPbI3 钙钛矿材料的降解。总之，我们给出了一种低温溶液法制备 Li-C60 电子传输层，显着改善了 n-i-p 体系结构钙钛矿太阳电池的光伏性能。其提升主要由于 Li-C60 薄膜的高电子迁移率大大加速了载流子的迁移、有利地调整了 MAPbI3 薄膜和 FTO 之间的能级匹配、有效的促进了电子注入的过程、其良好的浸润性使得沉积的 MAPbI3 薄膜具有更少的缺陷，减少 MAPbI3 薄膜中的电子-空穴复合中心。 Li-C60 电子传输层有效地提高了电池的紫外稳定性。我们的工作为钙钛矿太阳电池提供了一种解决稳定性问题的方法，并为柔性电池的制备进行了有利的探索。参考文献 [1] Cheng Liu, Yi Yang, Yong Ding, Jia Xu, Xiaolong Liu, Bing Zhang, Jianxi Yao, Tasawar Hayat, Ahmed Alsaedi, Songyuan Dai, ChemSusChem 2018, 11, 1232-1237. 作者简介姓名丁勇；主要研究方向纳米光电材料和染料敏化太阳电池 E-mail dingyncepu.edu.cn；通信地址北京市昌平区北农路 2 号；邮政编码102206 姓名姚建曦；主要研究方向纳米光电材料和新型薄膜太阳电池 E-mail jianxiyaoncepu.edu.cn；通信地址北京市昌平区北农路 2 号；邮政编码102206 姓名戴松元；主要研究方向新型薄膜太阳电池 E-mail sydaincepu.edu.cn；通信地址北京市昌平区北农路 2 号；邮政编码102206