吉林大学郭文滨：如何提高钙钛矿电池的效能和稳定性？

下载免费

▌上期精彩

Surface Passivation of Perovskite Solar Cells Toward Improved Efficiency and Stability

Zhiqi Li, Jiajun Dong, Chunyu Liu, Jiaxin Guo, and Wenbin Guo

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 50

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0282-0

    本文亮点     

1  在钙钛矿薄膜表面采用热蒸镀的方法生长一层TTC作为界面钝化层，TTC钝化层能有效填补钙钛矿表面缺陷，降低粗糙度，改善界面接触，进而降低界面复合，提高器件能量转换效率。

2  TTC分子具有很强的疏水特性，能够在钙钛矿表面形成一层水汽阻挡层，有效隔离空气中水汽的侵蚀，提高器件稳定性。  

         内容简介         

近年来，金属卤化物钙钛矿（以下简称钙钛矿）材料由于其卓越的光电性能而受到广泛关注。

钙钛矿太阳能电池因其光电转换效率高、原材料来源广泛、成本低廉、制作过程简单可批量生产、柔性、易于大面积印刷等优势，被认为是最有希望实现商用化低成本发电的新一代光伏技术之一。

过去十年，钙钛矿电池的研究迅猛发展，实验室认证效率已从3.8%增至24.2%，接近商业化硅电池。然而，目前钙钛矿电池仅能在自然环境中工作数月便会出现显著性能衰减，而传统的硅电池能工作超过25年。钙钛矿器件在外界环境下不稳定成为限制其商业化应用的瓶颈。

因此，在保证钙钛矿电池高效率的同时，提高稳定性是目前钙钛矿光伏技术产业化研究中的关键。

👇

吉林大学郭文滨团队提出了一种小分子界面钝化方法，为解决上述问题提供了全新的思路。该方法基于ITO/PTAA/CH3NH3PbI3/TTC/C60/BCP/Ag器件结构，采用热蒸发的方法在钙钛矿表面生长一层TTC作为界面钝化层，同时提高钙钛矿电池器件效率与稳定性。郭文滨教授为论文的通信作者，李质奇博士为论文的第一作者。

TTC钝化层能有效填补钙钛矿表面缺陷，降低粗糙度，同时改善钙钛矿层与C60表面接触，进而降低载流子在界面处的复合，增强载流子传输，提高器件能量转换效率。在一个标准太阳光下，经过TTC钝化器件与对比器件相比，器件能量转换效率由17.38%提高到20.05%，器件性能明显提高。

TTC小分子材料具有较强的疏水特性，这种强的疏水特性能够使其在钙钛矿表面作为一层水汽的阻挡层，有效隔离空气中水汽的侵蚀，提高器件稳定性。未经封装的条件在空气中进行长期稳定性测试，TTC钝化器件与对比器件相比，在大气湿度40%条件下储存时间180小时器件能量转换效率仍旧保持原来的85%，器件稳定性明显提高。

      图文导读      

基于TTC界面钝化钙钛矿电池基本结构

采用ITO/PTAA/CH3NH3PbI3/TTC/C60/BCP/Ag器件结构，如图1所示。

用溶液法生长PTAA作为空穴传输层，通过真空蒸镀法在钙钛矿薄膜表面生长TTC钝化层，紧接着蒸镀C60与BCP作为电子传输层，最后蒸镀Ag作为电极，实验方法简单，无特殊工艺要求，可重复性高。

图1 (a) 基于TTC界面钝化钙钛矿电池；(b) 电池界面SEM图。

👇

TTC钝化的钙钛矿薄膜形貌与电荷动力学

TTC钝化层的引入能有效填补钙钛矿表面晶界缺陷，降低钙钛矿表面粗糙度，优化表面形貌（图2(a-d)），进而降低载流子在界面处的复合，增强载流子传输，如图2e和2f所示。

图2 钙钛矿薄膜表面SEM图：(a) 钙钛矿；(b) TTC附着的钙钛矿；(c) C60附着的钙钛矿；(d) TTC/C60附着的钙钛矿；(e) 不同材料覆盖的钙钛矿薄膜PL谱图；(f) 不同材料覆盖的钙钛矿薄膜TRPL谱图。

👇

基于TTC界面钝化钙钛矿电池电学性能与器件稳定性测试

TTC界面钝化层的引入同时提高了钙钛矿电池器件效率与稳定性。如图3a，在一个标准太阳光下，经过TTC钝化器件与对比器件相比，器件能量转换效率由17.38%提高到20.05%，器件窄的效率分布也显示器件高的可重复性（图3b）。

并且由于TTC对晶界缺陷的钝化作用，TTC钝化器件与对比器件相比，迟滞现象消失，器件功率稳定输出（图3d-e）。同时改善钙钛矿层与C60表面接触，提高载流子传输（图3g），降低暗电流（图3h），降低载流子界面复合（图3i）。

图3 (a) 器件电流密度-电压（J-V）曲线； (b) 器件效率分布图；(c) 器件EQE图；(d) TTC钝化器件正向与反向扫描J-V曲线；(e) 对比器件正向与反向扫描J-V曲线；(f) 器件稳定功率输出曲线图；(g) 器件材料能级图；(h) 器件暗电流曲线图；(i) 单电子器件暗电流曲线图。

👇

TTC小分子材料具有较强的疏水特性，这种强的疏水特性能够使其在钙钛矿表面作为一层水汽的阻挡层，有效隔离空气中水汽的侵蚀，提高器件稳定性。

如图4，经过器件长期稳定性测试，TTC钝化器件与对比器件相比，在大气湿度40%条件下储存时间180小时器件能量转换效率仍旧保持原来的85%，器件稳定性明显提高。

图4 (a) 器件稳定性测试曲线；薄膜接触角测试图 (b)钙钛矿，(c) C60附着的钙钛矿；(d) TTC附着的钙钛矿；(e) TTC/C60附着的钙钛矿。

作者简介

郭文滨

（本文通讯作者）

教授、博导

吉林大学电子科学与工程学院

▌主要研究方向

主要致力于新型能源与信息电子材料的研究，包括有机与无机半导体光电器件物理、结构设计、器件制备、理论模拟、纳米功能材料与新能源应用等方向。

▌科研成果

近年来在Adv. Funct. Mater., Small, Solar RRL, JMCA，Chem. Mater., Mater. Today Energy, ACS Appl.Mater. Interfaces，Appl. Phys.Lett.等国际主流杂志发表SCI检索论文100余篇。

E-mail: [e-mail]

钙钛矿· 相关阅读 👇

       关于我们     

Nano-Micro Letters 是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在 Springer 开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。

E-mail：[e-mail]

Tel：[phone]

点击阅读原文可在 Springer 免费获取全文 

在看点这里