【IM交叉学科材料】华侨大学魏展画&谢立强团队：In2O3双层作为界面修饰材料制备高性能钙钛矿太阳能电池

Original 交叉学科材料 Interdisciplinary Materials

收录于合集

点击蓝字 | 关注我们

研究背景

从2009年到现在，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经从3.8%飞速发展到认证的25.7%。在正式钙钛矿太阳能电池中，SnO₂是目前主流的电子传输材料之一。然而，在其制备过程中的许多环境条件，如湿度和室温都对SnO₂薄膜的性能有显著影响；在退火过程中，退火温度高会导致氧空位缺陷和针孔，而退火温度低则会导致结晶度降低。此外，SnO₂与钙钛矿界面的载流子复合也限制了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。

成果简介

近期，华侨大学魏展画&谢立强团队发表了以一体的双层In₂O₃作为界面材料制备高性能钙钛矿太阳能电池的研究成果。该研究利用In³⁺的水解性质，通过在基底上旋涂In(NO₃)₃前驱体溶液，在SnO₂与钙钛矿界面之间制备出一体化的双层In₂O₃，这种结构由一层致密In₂O₃和一层纳米级棒状结构In₂O₃组成。由于In₂O₃本身优越的光电性质以及棒状结构的存在增加了电子传输层与钙钛矿的接触面积，制备出的器件的光电转化效率达到23.87%。同时，由于改善了电子提取的，抑制了载流子在界面上的复合，填充因子提升到82.14%。此外，优化后的器件具有良好的可重复性，并表现出优异的运行稳定性，在最大功率点工作超过500小时后，仍能保持80%以上的初始效率。

文章简介

1、一体的双层In₂O₃界面结构

图1A和1B展示了钙钛矿器件和In₂O₃界面层的结构。从图1C中可以明显的看到高度约为100 nm的In₂O₃纳米棒存在，这是由于In³⁺的水解性质造成的。在前驱体溶液中，In³⁺首先水解形成In(OH)₃，然后在旋涂和退火后失水形成In₂O₃。图1D的XPS数据显示出了In 3d峰，证明了In³⁺的成功引入，同时，Sn 3d和O 1s的信号向高结合能方向移动，表明In₂O₃不仅在SnO₂上形成覆盖层，而且与Sn原子发生化学相互作用。图1E和1F的KPFM数据显示出两种薄膜表面具有不同的平均接触电势差，意味着在SnO₂上覆盖了一层新物质，此处应为在SnO₂和In₂O₃纳米棒之间存在In₂O₃致密层。

图1（A）对照组器件结构示意图；（B）加入In₂O₃界面材料的器件结构示意图；（C）SnO₂/In₂O₃薄膜的AFM图；（D）SnO₂薄膜和SnO₂/In₂O₃薄膜的XPS图；（E）SnO₂薄膜的KPFM图；（F）SnO₂/In₂O₃薄膜的KPFM图。

2、电子传输层的形貌结构与性质

通过扫描电子显微镜的平面图（图2A和2B）可以清晰的观察到在SnO₂薄膜表面存在许多针孔，而修饰后的薄膜变得致密且在上方出现棒状纳米颗粒。采用循环伏安法对不同薄膜的空穴阻挡能力进行测试（图2C），结果发现优化后的电子传输层未出现氧化还原峰，展现出了最佳的空穴阻挡效果，进一步证实了具有In₂O₃界面层的ETL具有最高的致密性。

图2（A）SnO₂薄膜的扫描电子显微镜平面图；（B）SnO₂/In₂O₃薄膜的扫描电子显微镜平面图；（C）ITO以及ITO上制备不同电子传输层薄膜的循环伏安图；（D）采用不同电子传输层制备的单电子器件的空间电荷限制电流曲线。

3、In₂O₃界面层对上层钙钛矿薄膜的影响

通过扫描电子显微镜对钙钛矿的表面和完整器件的截面进行测试，结果发现In₂O₃界面层更有助于电子传输层和钙钛矿层界面的紧密接触，明显减少了界面的孔洞，同时也得到了更高质量的钙钛矿晶体。

图3（A）对照组钙钛矿薄膜的扫描电子显微镜平面图；（B）以SnO₂/In₂O₃为电子传输层的钙钛矿薄膜的扫描电子显微镜平面图；（C）对照组器件的扫描电子显微镜截面图；（D）以SnO₂/In₂O₃为电子传输层的器件的扫描电子显微镜截面图。

4、一体的平面/棒状纳米结构的In₂O₃界面层对器件性能的提升

经过In₂O₃界面层的优化，制备出了效率达到23.87%的最优器件，其中开路电压为1.15 V，填充因子为82.14%，短路电流密度为25.18 mA cm^-2。同时，器件的稳定性也得到了一定的提升，在最大功率点下运行超过500小时后仍能保持初始效率的80%。

图4（A）最优器件电流密度-电压曲线；（B）器件外量子效率和积分电流密度曲线；（C）最大功率点稳态输出曲线；（D）器件运行稳定性曲线。

结论

该研究提出了一种改进SnO₂电子传输层以制备高效、稳定的钙钛矿太阳能电池的新方法。研究者利用一种具有独特结构的In₂O₃界面层，提高了电子传输层的致密性并增大了与钙钛矿之间的接触面积，成功的改善了电子传输层的电荷提取、抑制了载流子复合，最终制备出了能量转化效率超过23%的钙钛矿太阳能电池。

作者简介

Authors

魏展画

华侨大学发光材料与信息显示研究院/材料科学与工程学院教授，博士生导师，发光材料与信息显示研究院院长，材料科学与工程学院副院长（兼）。获得中国化学会青年化学奖（2022），全国向上向善好青年（2022年），国家“万人计划”青年拔尖人才（2020），国家百千万人才工程（2019），“有突出贡献中青年专家”等荣誉称号。课题组的主要研究方向是新型能源光电转化材料与器件，主要包括钙钛矿发光二极管、太阳能电池和纳米激光器。已在Nature、Journal of the American Chemical Society、 Energy & Environmental Science和Angewandte Chemie International Edition等高水平期刊上发表研究论文40余篇，其中多篇论文为ESI热点论文或者高被引论文。

邮箱：weizhanhua@hqu.edu.cn

谢立强

华侨大学发光材料与信息显示研究院/材料科学与工程学院副教授，2017年毕业于厦门大学化学系，获博士学位，师从毛秉伟教授和田中群院士。在钙钛矿太阳能电池和钙钛矿/硅叠层太阳能电池方向取得若干创新性研究成果，已在Nature Communication、Journal of the American Chemical Society、和Journal of Materials Chemistry A等高水平期刊上发表研究论文30余篇，其中第一/通讯作者15篇。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目等。

邮箱：lqxie@hqu.edu.cn

论文信息

W. Tian, P. Song, Y. Zhao, L. Shen, K. Liu, L. Zheng, Y. Luo, C. Tian, L. Xie, Z. Wei. Monolithic bilayered In2O3 as an efficient interfacial material for high-performance perovskite solar cells. Interdiscip. Mater. DOI: 10.1002/idm2.12047

原文请点击文末左下方“阅读全文”

期刊简介

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。30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。

· 2022年1月首发，前三年完全免费发表

· 2022年6月被DOAJ数据库收录

· 2022年9月入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”