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吉林大学郭文滨:如何提高钙钛矿电池的效能和稳定性?

已有 1292 次阅读 2019-7-3 13:18 |系统分类:论文交流| TTC钝化层, 器件能量转换效率, 太阳能电池, 界面复合, 界面钝化层

Surface Passivation of Perovskite Solar Cells Toward Improved Efficiency and Stability

Zhiqi Li, Jiajun Dong, Chunyu Liu, Jiaxin Guo, and Wenbin Guo

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 50

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0282-0

本文亮点     

1  在钙钛矿薄膜表面采用热蒸镀的方法生长一层TTC作为界面钝化层,TTC钝化层能有效填补钙钛矿表面缺陷,降低粗糙度,改善界面接触,进而降低界面复合,提高器件能量转换效率。

2  TTC分子具有很强的疏水特性,能够在钙钛矿表面形成一层水汽阻挡层,有效隔离空气中水汽的侵蚀,提高器件稳定性。  

内容简介         
近年来,金属卤化物钙钛矿(以下简称钙钛矿)材料由于其卓越的光电性能而受到广泛关注。
钙钛矿太阳能电池因其光电转换效率高、原材料来源广泛、成本低廉、制作过程简单可批量生产、柔性、易于大面积印刷等优势,被认为是最有希望实现商用化低成本发电的新一代光伏技术之一。
过去十年,钙钛矿电池的研究迅猛发展,实验室认证效率已从3.8%增至24.2%,接近商业化硅电池。然而,目前钙钛矿电池仅能在自然环境中工作数月便会出现显著性能衰减,而传统的硅电池能工作超过25年。钙钛矿器件在外界环境下不稳定成为限制其商业化应用的瓶颈。因此,在保证钙钛矿电池高效率的同时,提高稳定性是目前钙钛矿光伏技术产业化研究中的关键。

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吉林大学郭文滨团队提出了一种小分子界面钝化方法,为解决上述问题提供了全新的思路。该方法基于ITO/PTAA/CH3NH3PbI3/TTC/C60/BCP/Ag器件结构,采用热蒸发的方法在钙钛矿表面生长一层TTC作为界面钝化层,同时提高钙钛矿电池器件效率与稳定性。郭文滨教授为论文的通信作者,李质奇博士为论文的第一作者。

TTC钝化层能有效填补钙钛矿表面缺陷,降低粗糙度,同时改善钙钛矿层与C60表面接触,进而降低载流子在界面处的复合,增强载流子传输,提高器件能量转换效率。在一个标准太阳光下,经过TTC钝化器件与对比器件相比,器件能量转换效率由17.38%提高到20.05%,器件性能明显提高。

TTC小分子材料具有较强的疏水特性,这种强的疏水特性能够使其在钙钛矿表面作为一层水汽的阻挡层,有效隔离空气中水汽的侵蚀,提高器件稳定性。未经封装的条件在空气中进行长期稳定性测试,TTC钝化器件与对比器件相比,在大气湿度40%条件下储存时间180小时器件能量转换效率仍旧保持原来的85%,器件稳定性明显提高。

图文导读     
基于TTC界面钝化钙钛矿电池基本结构

采用ITO/PTAA/CH3NH3PbI3/TTC/C60/BCP/Ag器件结构,如图1所示。

用溶液法生长PTAA作为空穴传输层,通过真空蒸镀法在钙钛矿薄膜表面生长TTC钝化层,紧接着蒸镀C60与BCP作为电子传输层,最后蒸镀Ag作为电极,实验方法简单,无特殊工艺要求,可重复性高。

图1 (a) 基于TTC界面钝化钙钛矿电池;(b) 电池界面SEM图。

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TTC钝化的钙钛矿薄膜形貌与电荷动力学

TTC钝化层的引入能有效填补钙钛矿表面晶界缺陷,降低钙钛矿表面粗糙度优化表面形貌(图2(a-d)),进而降低载流子在界面处的复合,增强载流子传输,如图2e和2f所示。

图2 钙钛矿薄膜表面SEM图:(a) 钙钛矿;(b) TTC附着的钙钛矿;(c) C60附着的钙钛矿;(d) TTC/C60附着的钙钛矿;(e) 不同材料覆盖的钙钛矿薄膜PL谱图;(f) 不同材料覆盖的钙钛矿薄膜TRPL谱图。

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基于TTC界面钝化钙钛矿电池电学性能与器件稳定性测试

TTC界面钝化层的引入同时提高了钙钛矿电池器件效率与稳定性。如图3a,在一个标准太阳光下,经过TTC钝化器件与对比器件相比,器件能量转换效率由17.38%提高到20.05%,器件窄的效率分布也显示器件高的可重复性(图3b)。

并且由于TTC对晶界缺陷的钝化作用,TTC钝化器件与对比器件相比,迟滞现象消失,器件功率稳定输出(图3d-e)。同时改善钙钛矿层与C60表面接触,提高载流子传输(图3g),降低暗电流(图3h),降低载流子界面复合(图3i)。

图3 (a) 器件电流密度-电压(J-V)曲线; (b) 器件效率分布图;(c) 器件EQE图;(d) TTC钝化器件正向与反向扫描J-V曲线;(e) 对比器件正向与反向扫描J-V曲线;(f) 器件稳定功率输出曲线图;(g) 器件材料能级图;(h) 器件暗电流曲线图;(i) 单电子器件暗电流曲线图。

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TTC小分子材料具有较强的疏水特性,这种强的疏水特性能够使其在钙钛矿表面作为一层水汽的阻挡层,有效隔离空气中水汽的侵蚀,提高器件稳定性。

如图4,经过器件长期稳定性测试,TTC钝化器件与对比器件相比,在大气湿度40%条件下储存时间180小时器件能量转换效率仍旧保持原来的85%,器件稳定性明显提高。

图4 (a) 器件稳定性测试曲线;薄膜接触角测试图 (b)钙钛矿,(c) C60附着的钙钛矿;(d) TTC附着的钙钛矿;(e) TTC/C60附着的钙钛矿。

作者简介

郭文滨

(本文通讯作者)

教授、博导 

吉林大学电子科学与工程学院

▌主要研究方向

主要致力于新型能源与信息电子材料的研究,包括有机与无机半导体光电器件物理、结构设计、器件制备、理论模拟、纳米功能材料与新能源应用等方向。

▌科研成果

近年来在Adv. Funct. Mater., Small, Solar RRL, JMCA,Chem. Mater., Mater. Today Energy, ACS Appl.Mater. Interfaces,Appl. Phys.Lett.等国际主流杂志发表SCI检索论文100余篇。

E-mail: guowb@jlu.edu.cn

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