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1 揭示提高平面钙钛矿太阳电池效率的碘化铅的钝化过程 石标 侯福华 李跃龙 丁毅 赵颖 张晓丹 （南开大学，电子科学与技术，天津，300071） 摘要钙钛矿薄膜中残留的碘化铅的钝化作用有利于太阳电池效率的提升，然而目前报道的 碘化铅的钝化效果有很大的不同，或提高开压和填充因子，或提高短路电流。本文利用不同的 制备工艺得到残留 PbI2位置不同的钙钛矿薄膜，一步法残留在上表面的晶界处，蒸发-溶液两 步法残留在下界面处。晶界处的 PbI2的钝化有利于短路电流的提升，界面处的钝化有利于开压 和填充因子的提升。 关键词钙钛矿太阳电池，碘化铅钝化，制备方法 1. 研究背景与内容 过去四年中，钙钛矿电池效率从 15[1]快速提高到 22.1[2]从而得到广泛关注。制备过程中 精确的化学计量比，是高效电池的一大保证。自从 T. Supasai et al. 发现残留的碘化铅在钙钛矿 薄膜中能起到钝化缺陷，抑制复合的作用 [3]，各种方法用来制备富含 PbI2 的钙钛矿薄膜。例如 通过后退火钙钛矿的分解，提高一步前驱体溶液中碘化铅的比率，降低两步溶液法中第二步溶 液的浓度和转速等，可以制备残留碘化铅的钙钛矿薄膜。这些残留的 PbI2 大大提升了器件的性 能。 然而，碘化铅的钝化效果各有不同，或提高开压和填充因子，或提高短路电流。我们通过 一步溶液法和蒸发- 溶液两步法制备多铅的钙钛矿薄膜，发现不同的钙钛矿制备工艺碘化铅在薄 膜中的位置不同，钝化过程不同。 2. 研究结果与讨论 2.1 钙钛矿薄膜 PbI2 位置 图 1 （a）一步法和（ b）蒸发-溶液两步法制备富含碘化铅钙钛矿薄膜的不同角度 X 射线衍射图谱， （c） 2 一步法和（d）蒸发 -溶液两步法制备富含碘化铅钙钛矿薄膜的 SEM 膜面图 如图 1a 和 b 所示，一步法和两步法制备的钙钛矿薄膜的 XRD 结果相反。随着 x 射线入射角 度的减小，一步溶液法制备的钙钛矿薄膜在 12.6出现的 PbI2的衍射峰相对于 14.1出现的 钙钛矿（110）峰逐渐增强，而蒸发-溶液法制备的钙钛矿薄膜中的 PbI2相对强度逐渐减弱。结 合图 1c 和 d，一步法中的白相 PbI2出现在膜面的晶界处，两步法中没有出现白相 PbI2。据此 可以推断一步溶液法钙钛矿薄膜中 PbI2位于近上表面的晶界处，两步溶液法钙钛矿薄膜中 PbI2 位于下界面处。示意图如图 3a 和 b 所示。 2.2 PbI2 钝化结果 6.215.414.529.4.78.932.7 51.3 JscVocFEf.010203040 50Enhaced amplitude （Cel 1A-el 1B/Cel 1B22 图 2 器件的短路电流（Jsc） ，开路电压（Voc） ，填充因子（FF） ，光电转换效率（Eff.）的提升幅度。 Cell 1A，Cell 1B 分别为一步溶液法制备的含 PbI2 和不含 PbI2 的钙钛矿电池。 Cell 2A, Cell 2B 分别为蒸发 -溶液法制备的含 PbI2 和不含 PbI2 的钙钛矿电池。 如图 2 所示，一步法和两步法制备的钙钛矿薄膜中含有碘化铅时，效率较不含碘化铅的都 有所提升。一步法的提升主要体现在电流的提升上，两步法的提升主要体现在开压和填充因子 上。 2.3 PbI2 钝化过程 3 图 3 （a）一步法和（ b）两步法制备的钙钛矿薄膜中 PbI2 的位置示意图， （c）PbI2 的钝化位置和光生 电荷的传播路径示意图。PbI 2 在（d）钙钛矿/电子传输层界面（e）钙钛矿/空穴传输层界面（f ）晶界钝化 示意图。 图 3a 和 b 分别为一步法和两步法中碘化铅的位置示意图。一步法中碘化铅主要在上表面和 晶界处钝化，两步法中主要在下界面和晶界处钝化。在下界面处钝化，能抑制电子传输层找那 个的电子与钙钛矿、空穴传输层中的空穴复合，在上届满处钝化，能抑制空穴传输层中的空穴 与钙钛矿、电子传输层中的电子复合。而晶界钝化能够抑制光生电荷的复合，从而提升电流。 而一步法主要是晶界钝化，两步法主要是界面钝化。 3. 结论 我们通过对比一步法和两步法中 PbI2 的位置以及 PbI2 对电池器件的改善效果，得知一步法 中的碘化铅主要在晶界处钝化，从而提升器件短路电流，两步法中的碘化铅主要在界面处钝化 从而提升开压和填充因子。 4. 致谢 感谢中央高校基础科研经费，科技部国际合作项目（2014DFE60170） ，国家自然科学基金 项目（61474065 和 61504069） ，天津市自然科学基金项目（17JCYBJC41400）和教育部“111 ” 引智计划项目（B16027）的经费支持。 参考文献 [1] Burschka J, Pellet N, Moon S, Humphry-Baker R, Gao P, Nazeeruddin M and Grtzel M. Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells[J]. Nature, 2013, 499 316-319. [2] Yang W S, Park B W, Jung E H, Jeon N J, Kim Y C, Lee D U and Seok S I. Iodide management in formamidinium-lead-halide–based perovskite layers for efficient solar cells[J]. Science, 2017, 35663451376- 1379. [3] Supasai T, Rujisamphan N, Ullrich K, Chemseddine A and Dittrich T. Formation of a passivating CH3NH3PbI3/PbI2 interface during moderate heating of CH3NH3PbI3 layers[J]. Appl. Phys. Lett., 2013, 103 4 183906. 作者简介 姓名张晓丹 主要研究方向无机太阳电池；钙钛矿太阳电池；催化材料；等离子体诊断和模拟 通讯作者联系方式电话13820413518，Email xdzhangnankai.edu.cn 通讯地址天津市卫津路 94 号南开大学伯苓楼光电子薄膜器件与技术研究所 邮政编码300071