10001623_揭示提高平面钙钛矿太阳电池效率的碘化铅的钝化过程

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。 参考文献 [1] Burschka J, Pellet N, Moon S, Humphry-Baker R, Gao P, Nazeeruddin M and Grätzel 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, 356(6345):1376- 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 :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 4 通讯作者联系方式：电话：13820413518，Email: xdzhang@nankai.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