【IM交叉学科材料2022年第2期】武汉理工大学黄福志教授团队：以氮掺杂氧化锡为电子传输层制备>23%效率稳定钙钛矿太阳能电池
在过去的短短十几年中，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从3.8%飞速发展至25%以上，成为了光伏产业化的有力竞争者。正式钙钛矿太阳能电池（PSCs）结构中的电子传输层（ETL）的质量是影响器件性能的重要因素之一。在目前氧化锡（SnO2）制备的工艺中，低温化学浴沉积法（CBD）制备的SnO2因其具有高致密度、操作简易、易大面积制备等优点展现出极大的潜力。然而，低温制备SnO2往往含有较多缺陷，导致器件性能及稳定性方面表现不理想。
近期，武汉理工大学黄福志团队于Interdisciplinary Materials刊发以氮掺杂氧化锡（N-SnO2）作为ETL制备高效稳定钙钛矿太阳能电池的研究成果。氯化铵（NH4Cl）作为添加剂加入四氯化锡（SnCl4）前驱体溶液中，利用CBD法沉积制备N-SnO2薄膜。与标准样（w/o NH4Cl）相比，N-SnO2薄膜表现出更优异的电子迁移率、电子萃取能力和能级匹配度，从而有效降低了界面电荷积累和非辐射复合。基于N-SnO2制备的太阳能电池器件的功率转换效率达到23.41%，明显高于标样的20.55%。此外，在标准AM1.5G连续照明下，基于N-SnO2未封装器件在最大功率点下稳定输出600 s后仍保持约98%的初始效率，而基于原始SnO2的器件则降至初始效率50%以下。
图1 SnO2优化前后表面形貌与元素组成分析
图2 SnO2优化前后能级与电子迁移率分析
图3 钙钛矿薄膜表面形貌与荧光光谱分析
SnO2优化前后表面形貌未发生明显变化，优化后，光电子能谱测试（XPS）分析显示Sn 3d 峰发生红移，N 1s 峰明显增强，说明成功制备了N-SnO2薄膜。此外，N-SnO2薄膜电子迁移率增大，与钙钛矿薄膜能级匹配，荧光光谱结果显示电子萃取能力增强，因此，N-SnO2薄膜展示了在制备高效稳定PSCs上具有强大潜力。
图4 器件截面SEM图和光伏性能参数：（a），（b）分别为SnO2和N-SnO2 完整器件截面SEM图，（c）冠军器件J-V图，（d）暗态阻抗图谱，（e）稳态输出，（f）器件老化稳定性测试
器件截面SEM图显示ETL优化前后钙钛矿晶粒质量较好，尺寸较大，上下贯通。N-SnO2冠军器件PCE为23.41% （Voc为1.155V，Jsc为24.81 mA/cm2，FF为0.817，反扫），而SnO2器件为20.55% （Voc为1.081 V，Jsc为24.42mA/cm2，FF为0.778，反扫），且N-SnO2器件具有更高的暗态复合电阻和更优异的光照及长期存放稳定性，这得益于ETL薄膜质量提高，减少了界面电荷累积与非辐射复合。
ETL是影响钙钛矿太阳能电池光伏性能的主要因素之一，制约器件的光电转换效率和各种环境条件下的长期稳定性，本工作利用简单且可扩展的CBD法制备高质量ETL，显著提高了器件光电转换效率，同时表现出了更优异的光照和长期存放稳定性，该策略在生产高效稳定的PSCs方面展示了巨大潜力。
黄福志
武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室研究员、博导，武汉理工大学先进薄膜光伏研究中心主任，佛山仙湖实验室光电材料与器件专业实验室主任。多年从事材料科学和第三代可印刷太阳能电池研究, 包括染料敏化太阳能电池和有机无机杂化钙钛矿太阳能电池。目前致力于钙钛矿太阳能电池产业化研究，主要研究钙钛矿在成膜过程中的成核结晶机制，开发可印刷高效电子与空穴传输材料以及飞秒激光组件化加工技术。目前已经发表150多篇SCI论文，包括Science、Nature、Nature Communications、Energy & Environmental Science、Advanced Materials等材料和能源领域高影响因子期刊，总引用约10000次。
How to cite this article:
Y. Mo, C. Wang, X. Zheng, P. Zhou, J. Li, X. Yu, K. Yang, X. Deng, H. Park, F. Huang, Y. Cheng. Nitrogen‐doped tin oxide electron transport layer for stable perovskite solar cells with efficiency over 23%. Interdiscip. Mater. 2022. doi:10.1002/idm2.12022.
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Interdisciplinary Materials（交叉学科材料）是由Wiley出版集团与武汉理工大学联合创办的开放获取式高水平学术期刊。主编为张清杰院士和傅正义院士。26位国际杰出学者和42位两院院士作为期刊的编辑委员会委员。Interdisciplinary Materials 是国际上聚焦材料与其它学科交叉前沿发起出版的首本“交叉学科材料”领域高水平期刊，旨在发表材料学科与物理、化学、数学、力学、生物、能源、环境、信息等学科交叉研究的最新成果。于2022年1月首发，前三年完全免费发表。
https://onlinelibrary.wiley.com/journal/2767441X
https://mc.manuscriptcentral.com/intermat
im@whut.edu.cn
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