10001393_低温制备纯溴钙钛矿太阳电池的研究

低温制备纯溴钙钛矿太阳电池的研究 栾继程 1,2，许佳 2，姚建曦 2，戴松元 1 1（华北电力大学，新型薄膜太阳电池北京市重点实验室，北京，102206） 2（华北电力大学，能源的安全与清洁利用北京市重点实验室，北京，102206） 摘要本文采用离子液体和 C60 作为电子传输材料，在低温下制备 n-i-p 结构的纯溴钙钛矿太 阳电池。首先通过溶液法在低温下制备四种不同结构的电子传输层，随后在不同的电子传输层 上，通过一步反溶剂法制备纯溴钙钛矿薄膜。其中，FTO 上旋涂离子液体，随后旋涂 C60 的复 合电子传输层能级与纯溴钙钛矿更匹配，基于此电子传输层上制备的钙钛矿薄膜致密平整，无 孔洞，质量最好，获得了 5.88的效率。 关键词 平面异质结结构， 低温制备， 离子液体， 钙钛矿太阳电池 1. 研究背景与内容 近年来，基于 MAPbBr3 的钙钛矿太阳电池因稳定性好、开路电压高等优点引起了科研工作 者的广泛关注。目前 MAPbBr3 钙钛矿太阳电池的电子传输层主要有富勒烯和 TiO2 两类。富勒 烯由于与钙钛矿前驱体溶液浸润性较差，且会溶于 DMF 中 [1]，使得其多用于 p-i-n 结构的电子 传输层。而 TiO2 则多用于 n-i-p 结构中作为电子传输层，然而 TiO2 面临两个问题，一是 TiO2 的 制备需要高温，不适用于柔性以及叠层太阳电池 [2]；二是 TiO2 具有光催化作用，会分解钙钛矿 材料，导致电池不稳定 [3]。发展低温下制备的电子传输层对于纯溴钙钛矿太阳电池至关重要。 本文在低温下70℃制备了离子液体/C60 复合电子传输层，将其用于 n-i-p 结构的 MAPbBr3 钙 钛矿太阳电池。最终，实现了 5.88的光电转换效率。 本文研究主要内容有 （1）制备 C60 和离子液体的单层以及复合电子传输层，并对其表面形貌及对钙钛矿薄膜 的影响进行表征。 （2）采用一步反溶剂法制备了 MAPbBr3 钙钛矿太阳电池，并研究了其光电性能。 2. 制备过程简述 图 1. 不同电子传输层上面制备 MAPbBr3 钙钛矿薄膜示意图 不同电子传输层的制备如图所示。IL/C60 结构的电子传输层的制备，首先将离子液体旋涂 在 FTO 上，然后将 C60 旋涂在离子液体薄膜上形成复合电子传输层。C60/IL 电子传输层的制 备与 IL/C60 电子传输层的制备过程相反。对于单层 C60 和离子液体电子传输层的制备，过程 与复合电子传输层中单层的制备过程相同。随后在制备的电子传输层上旋涂 MAPbBr3 钙钛矿前 驱体溶液，旋涂期间进行反溶剂处理从而获得平整致密的钙钛矿薄膜。最后，在钙钛矿薄膜上 旋涂 Spiro-OMeTAD 作为空穴传输层，蒸镀金电极，制得纯溴钙钛矿太阳电池。 3. 研究结果与讨论 3.1 不同电子传输层的表面功函及透过光谱 图 2. a 器件的能级图 b 不同电子传输层基底的透射光谱 图 2 a为通过开尔文探针测试，获得的四种电子传输层的表面功函图。由图可知，当在 FTO 上面分别旋涂单层 C60 和单层离子液体时，基底的表面功函为 4.19eV 和 3.89eV。当制备 复合电子传输层时，FTO/C60/IL 和 FTO/IL/C60 基底的表面功函分别为 4.09eV 和 3.93eV，介于 单层 C60 和离子液体之间。通过对比可以发现，当在 FTO 上旋涂单层 C60 时，功函只有小幅 度的降低。而在 FTO 和 C60 之间旋涂一层离子液体时，可有效的降低功函，从而降低了界面 势垒，有助于电子传输。图 2 b为四种不同电子传输结构的透过光谱。从图中可以看出单层离 子液体对 FTO 的透过几乎没有影响，但是当旋涂一层 C60 时，由于 C60 对光的吸收，透过率 会降低。值得注意的是，含有 C60 层的电子传输层的透过光谱几乎相同，表明 C60 与离子液体 30540505605705801203405607 80910 WavelngthmTransmion FTO/IL C60F/ TOIa b 的相对位置不会对器件的透过有影响。 3.2 钙钛矿薄膜的结构及光电性能 a1umFTO/C60b1um/IL38.5.4FTO/C60IL1umc0.3FT/I24.1umdFT/IL60 图 3 aFTO/C60,bFTO/C60/IL,cFTO/IL,dFTO/IL/C60 四种基底上制备的钙钛矿薄膜的 SEM 及基底与钙钛矿前驱体溶液的接触角结果 图 3 为aFTO/C60，bFTO/C60/IL，cFTO/IL，dFTO/IL/C60 四种基底上制备的钙钛矿 薄膜的 SEM 及基底与钙钛矿前驱体溶液的接触角结果。从图中可知， FTO/C60、FTO/C60/IL、FTO/IL 以及 FTO/IL/C60 与钙钛矿前驱体溶液的接触角分别为 38， 15.4，10.3，24.2。由 SEM 图可知，FTO/C60 基底上面制备的钙钛矿薄膜表面并不均匀 （图 3a），有许多的凹坑，在 FTO/C60 和 FTO/C60/IL 基地上制备的钙钛矿薄膜，虽然表面均 匀，但仍不平整致密（图 3b-c）。在 FTO 和 C60 之间旋涂一层离子液体时，基底与钙钛矿前 驱体溶液的接触角变小，钙钛矿前驱体溶液在 C60 表面的浸润性得到改善，从而钙可以明显地 提高薄膜的质量，整个钙钛矿膜均匀、光滑、无针孔。 图 4. 不同电子传输层上制备的 MAPbBr3 钙钛矿薄膜的瞬态荧光寿命 图 4 为不同电子传输层上制备的钙钛矿薄膜的瞬态荧光测试结果。由图可知，四种钙钛矿 薄膜的 τave 分别为 1.251ns，1.382ns，7.165ns，1.006ns。FTO/IL/C60 电子传输层上面制备的钙 钛矿薄膜的荧光寿命最小，说明 FTO/IL/C60 结构的电子传输层对促进载流子分离和传输更有 效，从而提高电池性能。 3.3 钙钛矿太阳电池性能 J-V 结果 图 4 基于不同电子传输层制备的 MAPbBr3 电池的 I-V 图及相应的光电参数 图 4 为基于不同电子传输层制备电池的 J-V 图。从图中可明显看出，基于 FTO/IL 电子传 输层的器件效率最低，仅为 1.59。基于 FTO/C60 和 FTO/C60/IL 电子传输层的器件的效率分 别为 2.24和 2.41。在 FTO/IL/C60 电子传输结构上面制备的电池的光电性能最好，效率为 5.88，其中 JSC为 6.14 mA/CM2，V OC为 1.39 V，FF 为 69.94。这得益于较好的成膜质量以及 各功能层之间良好的能级匹配。 4. 结论 本文以 C60 和离子液体作为电子传输材料，成功地在低温下制备了 n-i-p 结构的纯溴钙钛 矿太阳电池。其中采用 FTO/IL/C60 结构的电子传输层，因钙钛矿前驱体溶液在其上具有良好 的浸润性以及匹配的能级，钙钛矿薄膜的质量最好，实现了最高 5.88的光电效率。本文为低 温制备纯溴钙钛矿太阳电池提供了一个新的思路。 参考文献 [1] Zhou Z, Xu J, Xiao L, et al. Efficient planar perovskite solar cells prepared via a low-pressure vapor-assisted solution process with fullerene/TiO2 as an electron collection bilayer[J]. RSC Advances, 2016, 682 78585- 78594. [2] Lee M M, Teuscher J, Miyasaka T, et al. Efficient hybrid solar cells based on meso-superstructured organometal halide perovskites[J]. Science, 2012 1228604. [3] Leijtens T, Eperon G E, Pathak S, et al. Overcoming ultraviolet light instability of sensitized TiO2 with meso- superstructured organometal tri-halide perovskite solar cells[J]. Nature communications, 2013, 4 2885. 作者简介 姓名姚建曦 主要研究方向新型薄膜太阳电池，半导体光电材料 E-mailjianxiyaoncepu.edu.cn 通信地址北京市昌平区回龙观镇北农路2号 邮政编码102206