钙钛矿型太阳能电池

使用室温溶液处理技术制备平面异质结构的钙钛矿型太阳能电池——Dianyi Liu 和 Timothy L. Kelly

结合了介孔支架,钙钛矿光吸收剂和有机空穴传输的有机-无机杂化太阳能电池已经处于可加工光伏器件的前列;然而,它们需要经过500℃的高温烧结来形成介孔金属氧化物结构。在这里,我们报告在以CH3NH3PbI3为基的太阳能电池中使用氧化锌纳米薄膜作为电子传递层;与之相比介孔二氧化钛和氧化锌层是更薄且不需要经过烧结处理。我们利用这些特点制造光电转换效率超过10%的弹性太阳能电池。ZnO的使用也能够改进装置提高在刚性衬底上制备的电池性能。当测量的光照度在AM1.5G以下时，在此基础上设计的太阳能电池将展示出高达15.7%的光电转换效率,这是报道过的钙钛矿型太阳能电池中最高的了。

溶液加工太阳能电池方面的研究使得在有机和混合光伏器件的发展取得实质性进展，其具有的光电转换效率现在经常接近或超过10％。这一进展已带动用于有机太阳能电池设备的新型电子供体材料（包括聚合物和小分子发色团）的合成，和制备用于染料敏化纳米晶体太阳能电池的新染料和氧化还原介质。尽管取得了这些进步，无论是有机太阳能电池设备的效率和染料敏化纳米晶体太阳能电池设备都被分离束缚激子或电子转移过程所需的驱动力损耗给限制了。一种令人兴奋的可替代这些传统设备架构是的有机 - 无机杂化设备利用钙钛矿类材料作为光吸收组件。早期的工作使用非常小的CH3NH3PbI3纳米粒子来敏化二氧化钛,和生产 3 - 4 % 的PCEs;然而,此后电池设计方面的发展使得转换效率有了非常迅速的进步。以介孔二氧化钛支架为基的先进钙钛矿型太阳能电池,CH3NH3PbI3 光吸收层和2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴空穴传输层取得高达15.0%的PCEs,还有一些报道认为太阳能电池的转换效率高达20%是可以实现的。

目前,大多数先进的钙钛矿型设备利用介孔金属氧化物支架提供了一个可以让CH3NH3PbI3光吸收体成长的多孔衬底。除了支持结构导向,二氧化钛支架还负责接收和运输电子到电极表面。尽管与传统上的使用液体电解质染料敏化太阳能电池(350 nm -10 um在传统的染料敏化太阳能电池中)的介孔二氧化钛薄膜相比,这些层比较薄,尽管如此,实际上比通常用于反向太阳能带电池设备(40 nm)的电子传递层厚;此外,介孔薄膜需要在450 - 550 ℃之前烧结使用,使得它们与柔性衬板格格不入。最近Snaith和他的同事们证明可以保持高转换效率的钙钛矿型设备维护或使用绝缘氧化铝替代二氧化钛介孔支架可进一步改进,氧化铝矩阵构

造可以在比所需的介孔二氧化钛较低的温度(110 - 150 ℃)进行。进一步研究表明钙钛矿型太阳能电池可以在缺乏介孔基质的条件下通过使用气相沉积工艺达到15.4%的转换效率,并且通过这种方案已经获得了高达11.4%的效率。出于进一步简化钙钛矿型太阳能电池工序的欲望,我们研究替代介孔二氧化钛和氧化铝支架和先前报告的气相沉积方法使用基于氧化锌纳米颗粒的相对紧凑的电子传递层。氧化锌具有大大高于二氧化钛电子迁移率,使它成为与电子传递层接触的理想选择。此外,氧化锌纳米颗粒层可以很容易通过旋转涂布沉积并且不需要经过加热或烧结步骤,使得它适合在热敏基体上沉积。在此基础上设计的设备表现非常好,PCEs达到15.7%时,照明和测试达到AM1.5G标准条件。通过这种方法也可以灵活准备设备,并显示超过10%的PCEs。氧化锌层的处理加工很简单,可以在室温下有效进行,使它比其他使用介孔支架或气相沉积技术的电池元设计有很大的优势。

氧化锌纳米颗粒可以通过的乙酸锌在甲醇中的水解作用用于电子传递层的制造。这个过程产生的纳米晶体直径约5nm,是由透射电子显微镜所决定的。纳米粒子容易分散在没有添加的表面活性剂或粘合剂的丁醇/氯仿混合物中;正因如此,自旋涂在氧化铟锡(ITO)衬底上,不需要经过煅烧或烧结步骤。这个过程会产生一个相对紧凑的氧化锌层,它的厚度可以通过旋转涂层多次被系统的改变。两步处理法用于生长CH3NH3PbI3层。这包括旋转涂一层PbI2在氧化锌表面,其次是浸衬底的CH3NH3I的解决方案。随后的设备效率被发现随CH3NH3I浓度、温度解决方案、浸渍时间和关注是确保复制尽可能一致处理条件。旋转涂布的spiro-OMeTAD，空穴传输材料和期间结构完全接触的Ag热蒸发(图1)。

CH3NH3PbI3钙钛矿是具有良好的载流子迁移率的低能带半导体,基于各种设备组件的相对能级(图1 b),CH3NH3PbI3层中生成的自由电荷载体(或激子)可以通过电子转移到氧化锌层下,或通过空穴转移到spiro-OMeTAD空穴传输材料中。考虑到氧化锌层和spiro-OMeTAD层的高度选择性,这可以预期将导致高效设备具有良好的填充因子。

探讨氧化锌层厚度对器件性能的影响,设备用来旋转涂布零,一,三,五和八层氧化锌纳米颗粒(表1),这产生了电子传递层厚度变化从0到70nm。从数据可以看出,一个高效的电子传递层的存在对于获得高性能的设备是至关重要的。如果没有氧化锌层,填充因子和开路电压(Voc)将会非常低,因为增加的复合ITO表面和相对低的分流电阻。合并一个很薄(10 nm)的氧化锌层到设备中大幅度提高了开路电压（Voc）和填充因数,氧化锌厚度25 nm,取得了超过14%的PCEs。进一步增加氧化锌层的厚度将不会对设备的性能有任何改进。

为了确保结果的再现性,使用优化的氧化锌厚度25nm超过100个独立的设备制造和测试。电池性能的直方图如特征图2所示,平均设备参数表在补充表1。从结果可以看出,设备表现非常好。开路电压（Voc）的值是高度可再生的且超过1.0 V,平均短路电流密度(Jsc)是近20 mA /cm²。再加上非常良好的填充因子(>70%),这就造成了一种平均13.7%的PCE。设备制造过程的可再现性(PCE的相对标准偏差为7.6%）和极好的的PCEs是非常令人鼓舞。显然,我们的研究结果和刘等人都指出对于生产高性能的电池用于其他设备生产架构的介孔支架是多余的。此外,不仅是报道的平均PCE(13.7%)显著高于在文献报道的方案处理型平面设备的等效平均PCE(≤9%),但也很明显甚至高于那些利用高真空度气相沉积技术构造的

设备(12.3%)。