10001345_基于离子液体修饰C60电子传输层的钙钛矿太阳电池

基于离子液体修饰 C60电子传输层的钙钛矿太阳电池 石兴文 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：低温下使用离子液体 (1-ethy-3-methylimidazolium iodide ([EMIM]I)) 修饰了 C60 薄膜，将其作为平板结构 钙钛矿太阳电池的电子传输层。通过离子液体的界面修饰作用，优化了钙钛矿层与电子传输层之间的能级匹配， 促进了电荷的有效传输；同时，由于离子液体的修饰作用，CH 3NH3PbI3 前驱体溶液在 C60 薄膜上的浸润性得到 了明显的提高，从而有效改善了钙钛矿薄膜的质量。通过离子液体修饰 C60 电子传输层的电池的效率由 12.11% 提高到了 15.09%。 关键词：离子液体 C60 钙钛矿太阳电池 电子传输层 界面修饰 1.研究背景与内容 C60 具有较高的电子迁移率，合适的导带以及可采用低温溶液法制备的特点，因此其被作为一种重要的电子 传输层材料应用于钙钛矿太阳电池中。 [1-4] 大部分研究将其作为钙钛矿层与 TiO2 等电子传输层 (ETL) 之间的修 饰层，然而 TiO2 等电子传输层的制备一般需要 450℃以上的高温烧结，限制了 C60 其在多结电池和柔性电池中 的应用。但当 C60 薄膜单独作为电子传输层用于钙钛矿太阳电池时，又存在其容易被 DMF 与 DMSO 等极性溶 剂所溶解，造成薄膜表面粗糙等问题，因此严重影响了电池的光电性能。本文采用界面修饰的方法，使用离子 液体 (1-ethy-3-methylimidazolium iodide ([EMIM]I)) 有效地改善了 C60 电子传输层的性能和钙钛矿薄膜的浸润性 能。 本文研究主要内容有： (1) 探究了离子液体修饰 C60 电子传输层对钙钛矿太阳电池界面电荷传输以及钙钛矿薄膜形貌的影响； (2) 在低温下，基于离子液体修饰 C60 电子传输层制备了钙钛矿太阳电池，并与不含离子液体钙钛矿太阳电 池的光电性能进行了对比。 2.制备过程简述 图 1 离子液体修饰 C60 电子传输层的制备过程 如图 1 所示，我们采用两种方法利用离子液体 [EMIM]I 修饰 C60 电子传输层：(1) 在 FTO 上先旋涂一层离 子液体，然后再旋涂 C60 层；(2) 在第一种方法的基础上，再在 C60 层上旋涂一层离子液体。 3.研究结果与讨论 图 2. 基于三种电子传输层所制备的电池 (a) 结构图 (b) 能级图 如图 2(a) 所示，电池的结构为 FTO/ETL/CH3NH3PbI3/spiro-OMeTAD/Au；如图 2(b)所示， FTO、FTO/C 60、 FTO/IL/C60、FTO/IL/C 60/IL 的表面功函 (WF) 分别是 4.67eV；4.59eV；4.33eV ；4.28eV，FTO/IL/C 60 与 FTO/IL/C60/IL 的表面功函与 FTO/C60 相比有了明显的降低， 根据能级图可知 WF 的降低减小了能级差值，而钙钛矿相邻的电子传输层 (ETL) 与空穴传输层 (HTM) 之间的 准费米能级差值会对器件的光电性能产生一定的影响，这会促进钙钛矿吸光层电子向电子传输层的有效传输， 改善器件的光电性能。 图 3. (a-c) 钙钛矿前驱体溶液在三种基底 (FTO/C60, FTO/IL/C60, FTO/IL/C60/IL) 上的接触角 (d-f) 基于三种 基底制备 (FTO/C60, FTO/IL/C60, FTO/IL/C60/IL) 的 CH3NH3PbI3 薄膜的 AFM 图片 钙钛矿前驱体溶液在基底上的良好的浸润性是形成高质量钙钛矿薄膜的关键因素。图 3 (a-c) 为钙钛矿前驱 体溶液在三种基底 (FTO/C60, FTO/IL/C60, FTO/IL/C60/IL) 上的接触角， FTO/C60 的接触角为 52°；在 FTO 与 C60 层之间引入离子液体[EMIM]I 之后接触角减小为 34°，可以发现，离子液体的引入明显改善了钙钛矿前驱体溶液 在基底上的浸润性，为了进一步改善浸润性，我们在 FTO/IL/C60 基底上再次旋涂一层离子液体[EMIM]I ，接触 角减小为 23°；图 3(d-f) 为三种基底上的 CH3NH3PbI3 薄膜的 AFM 图，基于 C60 电子传输层(FTO/C 60)制备的 MAPbI3 薄膜的粗糙度为 29.7nm，而采用 FTO/IL/C60 以及 FTO/IL/C60/IL 为基底制备的 CH3NH3PbI3 薄膜的表面 粗糙度明显降低为 24.6 nm 以及 19.1nm，由图 3(d-e) 可以观察到 FTO/IL/C60 与 FTO/IL/C60/IL 基底上的钙钛矿薄 膜表面致密平整，覆盖度较好；FTO/C 60 基底上的钙钛矿薄膜覆盖度较差；AFM 图中的插图为使用一步反溶剂 法在三种基底上制备的钙钛矿薄膜的实际照片，从照片上同样也可以清楚的看到钙钛矿在 FTO/IL/C60 与 FTO/IL/C60/IL 基底上的覆盖度相比在 FTO/C60 基底上要较好，这些结果都与钙钛矿前驱体溶剂在三种基底上的 浸润性差别有关，良好的浸润性有利于前驱体溶液在基底上的铺展，从而形成平整，致密且高质量的钙钛矿薄 膜，导致钙钛矿薄膜与空穴传输层之间更好的接触，提升器件的光电性能。 图 4. 基于三种基底 (FTO/C60, FTO/IL/C60, FTO/IL/C60/IL) 制备的 CH3NH3PbI3 薄膜的稳态 PL 图谱 从图 4 中可以观察到 FTO/C60；FTO/IL/C 60；FTO/IL/C 60/IL 三种不同 ETL 上制备的 CH3NH3PbI3 薄膜的发射 峰是一致的，均为 780nm，为 CH3NH3PbI3 的发光峰；其次，与 C60 单独作为电子传输层相比，采用 IL/C60； IL/C60/IL 制备的钙钛矿薄膜的荧光强度有了很明显的降低，说明两种复合电子传输层 IL/C60；IL/C 60/IL 与 CH3NH3PbI3 形成的界面接触阻碍更小，有利于电荷的抽取，从而降低了荧光强度。 图 5. 基于三种基底 (FTO/C60, FTO/IL/C60, FTO/IL/C60/IL) 制备的 CH3NH3PbI3 电池 I-V 曲线图及光电参数 我们制备了基于 FTO/C60 以及 FTO/IL/C60, FTO/IL/C60/IL 的电池，由图 5 可知，基于 FTO/C60 制备的电池的 效率为 12.11%，表现出较差光电性能，而基于 FTO/IL/C60 制备的电池的效率得到了明显的提高，达到了 15.09%， 与基于 FTO/C60 制备的电池相比，采用 FTO/IL/C60 以及 FTO/IL/C60/IL 的电池的 Jsc和 Voc略微提高，而填充因子 得到了明显的改善 (由 61.81%提高到了 71.12%)，填充因子的提高原因一方面是通过离子液体的修饰优化了钙钛 矿层与电子传输层之间的能级匹配，另一方面是提高了钙钛矿前驱体溶液在基底上的浸润性，使得在基底上所 形成的钙钛矿薄膜更加平整致密，钙钛矿薄膜与空穴传输层 spiro 之间的接触更好。此外，通过离子液体修饰， 减小了界面接触阻碍，提高了电荷传输的效率，因此器件的 Jsc得到了提高，这与前文的稳态 PL 测试相一致。 4.结论 在低温下使用一种离子液体 ([EMIM]I) 修饰了 C60，将其用作钙钛矿太阳电池的电子传输层。离子液体的引 入一方面降低了基底的表面功函，增强了电荷的传输能力；另一方面，提高了钙钛矿前驱体溶液在基底上的浸 润性，导致钙钛矿薄膜的形貌得到改善，从而提高了钙钛矿太阳电池的光电性能，电池效率 12.11%提高到了 15.09%。 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, 6(82): 78585-78594. [2] Xu J, Fang M, Chen J, et al. ZnO-assisted Growth of CH3NH3PbI3-xClx film and Efficient Planar Perovskite Solar Cells with a TiO2/ZnO/C60 Electron Transport Trilayer[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10(24): 20578-20590. [3] Xu J, Yin J, Xiao L, et al. Bromide regulated film formation of CH3NH3PbI3 in low-pressure vapor-assisted deposition for efficient planar-heterojunction perovskite solar cells[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2016, 157: 1026-1037. [4] Chen J, Xu J, Zhang S, et al. Halogen Versus Pseudo-Halogen Induced Perovskite for Planar Heterojunction Solar Cells: Some New Physical Insights[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2017, 121(51): 28443-28453. 作者简介 姓名：许佳 主要研究方向：新型薄膜太阳电池，半导体光电材料 E-mail：xujia@ncepu.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