10001529_提高反式平面型钙钛矿太阳能电池开路电压

提高反式平面型钙钛矿太阳能电池开路电压 杨文强，龚旗煌，朱瑞 * 北京大学物理学院,人工微结构和介观物理国家重点实验室 朱瑞：高效率反式平面型钙钛矿太阳能电池，图案化金属透明电极，iamzhurui@pku.edu.cn 摘要：目前报道的反式平面型钙钛矿太阳能电池器件的效率仍然低于正式介孔型钙钛矿太阳能电池，主要 原因在于当活性层材料带隙相同时，平面型钙钛矿太阳能电池的开路电压明显低于正式介孔型钙钛矿太阳 能电池。为了进一步提高反式平面型钙钛矿太阳能电池的效率，厘清器件开路电压亏损的原因，探究提高 反式器件电压的方法迫在十分重要。本课题组从高效率反式平面型太阳电池入手，深入探讨了影响反式器 件电压亏损的原因，同时提出了提高反式平面型器件开路电压的方法，系统分析了器件电压提高的原因。 关键字：反式平面型，钙钛矿太阳能电池，开路电压 正文： 近年来钙钛矿太阳能电池由于其成本低廉、制备工艺简单、转换效率高等特点，一直以来都是研究人 员的关注热点，其转换效率在短短几年时间内迅速攀升，目前报道的最高的转换效率已经可以媲美商业化 的单晶硅太阳能电池。钙钛矿太阳能电池按器件结构分为正式（n-i-p）结构和反式（p-i-n ）结构，相比于 正式结构器件，反式结构器件可低温制备、适用于柔性基底、适用于叠层器件，因此反式结构器件受到越 来越多人的关注。然而相比于正式结构器件而言，反式结构器件的转换效率仍略显不足，主要由于反式器 件的开路电压偏低造成的，反式平面型钙钛矿太阳能电池开路电压普遍在 1.10 V 左右，而正式介孔型钙钛 矿太阳能电池开路电压普遍在 1.20 V 左右，两者之间仍有着不小的差距。众多研究表明，造成反式器件开 路电压低的原因在于钙钛矿活性层晶界以及活性层与传输层的接触界面存在大量的缺陷，造成非辐射复合 能量损失严重。因此要提高反式器件的开路电压，关键是减少钙钛矿晶界处以及活性层和接触界面处的缺 陷，减少非辐射复合造成的损失。然而目前的诸多手段只能减少钙钛矿晶界处或者界面处的缺陷，不能同 时减少两处的缺陷，因此现在的反式器件的开路电压仍然相对偏低。我们通过实验开发了一种基于胍盐溶 液辅助的钙钛矿表面二次生长的方法，能同时减少钙钛矿晶界处和界面处的缺陷，有效的实现了反式钙钛 矿器件电压的提高，同时不损失电压和填充因子，由此制备的反式平面钙钛矿太阳电池器件效率达到了 21.51%，并且在中国计量院测试得到了 20.90%的效率。 我们对该方法提升器件开路电压的原因进行了深入的研究。我们发现经过溶液辅助的二次生长方法处 理过后的钙钛矿表面光电压明显降低 150 meV 左右，这个变化趋势在不同基底不同光强下是一致的，这充 分说明了该方法的普适性以及薄膜这种变化趋势的可靠性。进一步的我们通过 UPS 对薄膜表面的电子结构 进行了表征分析，二次生长过后的薄膜的费米能级向导带靠近了近 400 meV。由此充分证明了薄膜经过二 次生长后，薄膜的半导体特性更加偏 n 型了。 图 1. 表面光电压(SPV)和紫外光电子能谱(UPS)。 (A) 钙钛矿薄膜在 ITO (structure 1), ITO/PTAA (structure 2) 和 ITO/PTAA/perovskite/PC61BM (structure 3) 基底上的 SPV。(B)（C） 经过二次生长和没有经过二次生长的钙钛矿薄膜的 UPS 和能带图 。 为了进一步分析薄膜经过二次生长后结构发生的变化，我们对样品进行时间分辨荧光光谱和瞬态吸收 光谱的测试。从图 2 的测试结果可以看出，当泵浦光从薄膜表面（涂有 PMMA）入射时，经过二次生长的 钙钛矿薄膜的光漂白带随着激发时间，逐渐红移，从 730 nm 移到了 750 nm，这个过程大概在几个纳秒左右 完成，而没有经过二次生长的薄膜并没有这个过程。当泵浦光从玻璃基底一侧入射时，经过二次生长处理 的与没有经过二次生长处理的都没有发射峰移动的过程，这可能是由于激发光的穿透深度有限。漂白带红 移的过程说明了随着时间的变化，电荷的分布逐渐从宽带隙转移到了低带隙。由此我们推断，经过二次生 长处理过后的薄膜，在近表面区域带隙更宽。 图 2. 时间分辨光致发光光谱和瞬态吸收光谱，薄膜表面涂 PMMA。（A）和（C）从 PMMA 和玻璃一侧测的经过二次生长 和没有经过二次生长的薄膜的时间分辨光致发光光谱；（B）和（D）400 nm (90 fs)的泵浦光测得经过二次生长和没有经过 二次生长的薄膜的瞬态吸收光谱。 基于以上结果，我们对器件开路电压的提高进行了系统的讨论分析。因为钙钛矿薄膜的缺陷主要是空 穴型缺陷，所以当薄膜更加偏 n 型，这意味着在薄膜中更多的空穴缺陷能被填充，缺陷态密度降低，这也 就意味着非辐射复合能量损失的减少。同时由于薄膜表面区域带隙更大，有助于电荷的传输，减少电子与 空穴在界面处的复合机率，从而减少非辐射复合损失。同时实验中还观察到的是，胍分子较均匀的分布在 钙钛矿薄膜晶界中，所以胍分子能够有效的钝化钙钛矿薄膜晶界中的缺陷。正式由于以上三点原因，钙钛 矿薄膜经过二次生长后，非辐射复合损失显著降低，导致了器件开路电压的提高。由此我们也证明了，调 控钙钛矿薄膜的半导体特性，同时减少晶界及表界面的缺陷能够有效的提高反式钙钛矿太阳能电池器件的 开路电压。 参考文献 [1] Luo D*, Yang W*, Wang Z*, Sadhanala A, Hu Q, Su R, Shivanna R, F. Trindade G, F. Watts J, Xu Z, Liu T, Chen K, Ye F, Wu P, Zhao L, Wu J, Tu Y, Zhang Y, Yang X, Zhang W†, H. Friend R, Gong Q, J. Snaith H†, Zhu R†. Enhanced photovoltage for inverted planar heterojunction perovskite solar cells[J]. Science, 2018, 360(6396): 1442-1446.