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图1. (a-h)MAPbI3:xRh(x= 0(a,e),0.5%(b,f),1%(c,g),5%(d,h))薄膜的SEM 图。(i-j)MAPbI3和MAPbI3:xRh(1%)薄膜应用于钙钛矿太阳能电池的SEM截面图。(k-l)MAPbI3:xRh(x = 0、0.5%、1%、5%)单晶的X射线衍射(XRD)图样。
图2. EELS扫描 MAPbI3:xRh(x=1%)中的Rh元素分布,右图为Rh3+EELS扫描图覆盖在钙钛矿薄膜的SEM图上,从图中可以看出Rh元素主要分布在晶界处 。
图3. 少量和过量Rh3+影响MAPbI3薄膜生长机理图。(a)少量的Rh3+形成成核位点,减缓结晶过程,最后Rh3+分布在边界上,形成了均匀和较大晶粒的钙钛矿薄膜。(b)无Rh3+加入的MAPbI3成核和生长过程。(c)过量Rh3+加入,MAPbI3薄膜成核和生长加快,薄膜质量差。
利用XPS分析MAPbI3:XRh(x=0、0.5%、1%和5%)中的I和Pb原子的化学键,如图4a-b所示。当Rh3+含量增大时,I的3d轨道向高结合能的方向移动。这个结果表明除了Pb-I键外多了Rh-I键,Rh-I键长比Pb-I短,这使Pb(Rh)-I断键需要更大的能量,从而向高结合能移动。此外,N 1s 轨道也向高的结合能方向移动,这说明 Rh-N(MA+) 的相互作用增强,也进一步证明Rh3+降低了碘空位缺陷和有机阳离子空位缺陷,从而使钙钛矿薄膜的晶粒更大,薄膜质量更好。如4f所示 Rh3+含量为1%时钙钛矿薄膜吸光性能最强,这归因于此时薄膜的质量最好。而Rh3+含量为5%时,吸收强度的降低是由于此时的薄膜出现明显的孔洞。图4g是通过4f图将紫外/可见吸收光谱转换成Tauc图以计算钙钛矿材料的带隙,MAPbI3:xRh(其中x=0、0.5%、1%、5%)的带隙分别为1.57、1.58、1.58和1.59 eV。
图4. MAPbI3:xRh(x=0、0.5%、1%、5%)中 I 3d(a),Pb 4f(b),N 1s(c)的X射线光电子能谱(XPS)图。(d)Rh 4d的XPS分峰图。(e)MAPbI3:xRh(x=1%)XPS元素分布图。(f)MAPbI3:xRh(x=0、0.5%、1%、5%)的吸收光谱。(g)由吸收光谱计算得出的Tauc斜率图。(h)MAPbI3:xRh (x=0、0.5%、1%、5%)的紫外光电子能谱 (UPS)图。(i)MAPbI3:xRh(x=0、0.5%、1%、5%)的能级示意图。
II 钙钛矿太阳能电池的性能表征
Rh3+含量为1%的钙钛矿薄膜应用于钙钛矿电池性能最优,从19.09%提升到20.71%,其中开路电压(VOC)1.10 V,短路电流(Jsc)23.82 mA/cm2,填充因子(FF)0.79。钙钛矿薄膜质量直接影响着钙钛矿太阳能电池的性能,少量Rh3+(低于1%)有助于钙钛矿薄膜生长,钝化了晶界缺陷,其太阳能电池性能提升;而过量Rh3+(5%)致使钙钛矿薄膜质量差,其太阳能电池性能降低。另外,质量差的薄膜会造成大的漏电流。图5e显示了MAPbI3:xRh (x=0、0.5%、1%、5%) 薄膜的光致发光谱。当Rh3+含量为1%的钙钛矿薄膜PL强度最低说明电子传输层SnO2 对钙钛矿薄膜的电子提取和传输更有效,从而提高钙钛矿电池的FF。图5f为MAPbI3:xRh(x=0、0.5%、1%、5%)薄膜的时间分辨光致发光谱。由于不存在电荷传输层,非辐射复合应该是PL衰减的主要组成部分。载流子寿命较长意味着Rh3+加入抑制了载流子复合。用空间电荷限制电流方法来计算钙钛矿薄膜中载流子的缺陷态密度。从图5g和h中可以得到,无论是电子缺陷态密度还是空穴缺陷态密度加入Rh3+ 后的远远小于原始的钙钛矿的缺陷态密度。
图5. MAPbI3:xRh(x=0、0.5%、1%、5%)薄膜应用于太阳能电池的性能(J-V)曲线,(b)MAPbI3:xRh(x=0、1%)薄膜应用于太阳能电池的正向和反向扫描曲线,(c)外量子效率 (EQE),(d)电化学阻抗谱(EIS)图,(e)基于SnO2层MAPbI3:xRh(x=0、1%)薄膜的光致发光谱(PL),(f)MAPbI3:xRh(x=0、0.5%、1%、5%)薄膜的时间分辨 PL谱,(g-i)空间电荷限制电流(SCLC)图,纯空穴传输层器件(g)、纯电子传输层器件(h)和钙钛矿吸光层的空间电荷限制电流曲线(i)。
为了探讨晶界钝化后钙钛矿薄膜及其太阳能电池的稳定性,本工作测试了MAPbI3:xRh(x=0、0.5%、1%、5%)钙钛矿薄膜暴露在空气中两个月前后的XRD图片(如图6a-b)。XRD中出现PbI2的峰表明钙钛矿薄膜降解成了PbI2,峰值越高稳定性越差。两个月后MAPbI3:XRh (x=0.5%,1%) 中PbI2峰值较低,说明少量Rh3+加入增强了钙钛矿薄膜的稳定性。钙钛矿薄膜的稳定性决定了其太阳能电池的稳定性。因此,进一步测试了未封装MAPbI3:xRh(x=0、1%)钙钛矿太阳能电池暴露在干燥环境中500小时归一化效率变化曲线(图6c)。Rh3+钝化晶界的钙钛矿太阳能电池稳定性明显提高,在干燥空气中未封装暴露500 h后,仍保持原始效率的92%。
图6. (a-b)MAPbI3:xRh(x=0、0.5%、1%、5%)钙钛矿薄膜暴露在空气中两个月前后的XRD图。(c)未封装MAPbI3:xRh(x=0、1%)钙钛矿太阳能电池暴露在干燥环境中500小时归一化效率变化曲线。
黄维
本文通讯作者
李兴鳌
本文通讯作者
南京邮电大学 二级教授、博导、江苏省教学名师
楚亮
本文通讯作者
南京邮电大学 副教授、硕导
撰稿:原文作者
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GMT+8, 2024-11-13 17:27
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