10001619_NiOx空穴传输层的表面修饰对钙钛矿电池性能的影响

NiOx空穴传输层的表面修饰对钙钛矿电池性能的影响 杜亚雯，李跃龙，刘琳，黄伟，辛晨光，石标，丁毅，赵颖，张晓丹 (南开大学 光电子薄膜器件与技术研究所，天津 300071) 摘要：NiO x 作为空穴传输层材料有稳定性好，与钙钛矿价带匹配等优势。然而，NiO x 也同样存 在着与钙钛矿层界面接触差，导电性较差等缺点。为了改善 NiOx 层与钙钛矿层的界面特性， 我们使用另外一种空穴传输层 PTAA 对 NiOx 与钙钛矿之间的界面进行修饰，从而提高钙钛矿 薄膜质量以及 NiOx与钙钛矿层之间的界面特性。实验表明，经过界面修饰后，电池的性能有了 明显的改善。 关键字：NiOx 空穴传输层；钙钛矿太阳电池；界面修饰 1. 研究背景与内容 在目前 p-i-n 结构的钙钛矿太阳电池中，通常采用 PEDOT:PSS 作为其空穴传输层，但是 PEDOT:PSS 自身有一些缺陷，比如它的酸性，吸水性以及无法有效地阻挡电子，不利于钙钛矿 电池的稳定性及进一步提高效率。所以一些无机空穴传输层开始被广泛地研究，其中 NiOx 层 以其良好的稳定性，与钙钛矿匹配的价带以及简便的制备方法获得了广泛的关注。 但 NiOx 作为空穴传输层也有一些缺陷，比如 NiOx 层与钙钛矿之间有比较差的界面接触， 这限制了以 NiOx 为空穴传输层的钙钛矿太阳电池的效率。表面修饰是一个有效的办法来改善 钙钛矿层与空穴/电子传输层之间的连接特性。PTAA 作为有机空穴传输层，能够有效地修饰界 面，提高电池的各项性能，且 PTAA 层不会被钙钛矿的溶剂破坏。 本文主要采用低浓度的 PTAA 溶液修饰 NiOx 与钙钛矿之间的界面，从而提高了钙钛矿层 的质量以及提高了钙钛矿层和空穴传输层之间的载流子传输效率。从而提高了钙钛矿太阳电池 的各项性能。 2. 研究结果与讨论 2.1 界面修饰对钙钛矿层的影响 图 1 显示了 NiOx、PTAA 和 NiOx/PTAA 表面的水的接触角度和表面扫描电子显微镜 （SEM）的图像，这些图像包括 NiOx/PVK、PTAA/PVK 和 NiOx/PTAA/PVK。图 1 所示的这些 衬底的水接触角分别为 42.8、92.5 和 85.1，分别为 NiOx、PTAA 和 NiOx/PTAA。与裸 NiOx 表 面相比, PTAA 或 PTAA 修饰 NiOx(NiOx/PTAA)表面测量接触角显著增加。据报道，衬底的润湿 性的差异可以有效地调整钙钛矿颗粒的成核和生长过程，从而调整载流子传输和提取的过程。 从 SEM 图中可以看出，衬底表面浸润性越差，钙钛矿平均晶粒尺寸越大，这一事实与 PTAA 或 NiOx/PTAA 表面的疏水性倾向于减少成核点的数量，并为更大的颗粒生长提供足够的空间是 一致的。 2.2 界面修饰对电池性能的影响 图二 a 展示了分别以 NiOx，PTAA ，NiOx/PTAA 为衬底钙钛矿太阳电池的 J-V 特性曲线， 图二 b 分别是三种衬底的钙钛矿太阳电池对应的 EQE 曲线。从图二 a 中可以看出，相对于 NiOx 衬底的太阳电池，经过 PTAA 修饰的钙钛矿太阳电池有更高的短路电流和开路电压。有更 高的电流是由于经过界面修饰以后，使钙钛矿晶粒尺寸增大，减少了钙钛矿层内部晶界，从而 使体内载流子复合减少，同时也使薄膜体内残余的碘化铅数量减少，提高了电池的短路电流。 而电池开路电压提高是由于经过界面修饰后，NiOx/PTAA 的能带结构使载流子传输更加顺畅， 并且经过界面修饰后，界面连接性能增强，空穴传输层与钙钛矿之间的界面传输效率提高，界 面缺陷减少，进而提高了电池开压，对电池的效率也有了显著的提高。PTAA 衬底的钙钛矿太 阳电池电流和 FF 都明显降低，主要是由于 PTAA 衬底的浸润性比较差，导致钙钛矿层的薄膜 质量不好，从而使钙钛矿电池效率较低。 3. 结论 总之，我们使用了一种 NiOx/PTAA 的混合空穴传输层来提高基于 NiOx 衬底的 p-i-n 型平面 钙钛矿太阳能电池的转换效率。短路电流的提高是由于钙钛矿结晶度的增强，更大的粒度和增 强的薄膜质量，从而减少了陷阱的状态密度。PTAA 的修改大大促进了界面电荷的转移，使钙 钛矿与 NiOx 层之间的界面特性改善，减少了界面之间的缺陷。因此，p-i-n 型平面钙钛矿太阳 能电池的 PCE 在不显示迟滞效应的情况下，显著地提升了钙钛矿太阳电池的效率。效率 （EQE）曲线获得的 Jsc 值与相应的 J-V 测量一致。 参考文献： [1] Bai Y, Xiao S, Hu C, Zhang T, Meng X, Li Q, et al. A pure and stable intermediate phase is key to growing aligned and vertically monolithic perovskite crystals for efficient PIN planar perovskite solar cells with high processibility and stability. Nano Energy. 2017;34:58-68. [2] Behrouznejad F, Tsai CM, Narra S, Diau EW, Taghavinia N. Interfacial Investigation on PrintableCarbon-Based Mesoscopic Perovskite Solar Cells with NiOx/C Back Electrode. ACS applied materials 9(30):25204-15. [3] Guo Y, Yin X, Que W. NiO x mesoporous films derived from Ni(OH) 2 nanosheets for perovskite solar cells. Journal of Alloys and Compounds. 2017;722:839-45. 作者简介： 姓名：张晓丹 主要研究方向：光电子薄膜与器件 Email: xdzhang@nankai.edu.cn 通信地址：天津市南开区卫津路 94 号南开大学光电子薄膜器件与技术研究所