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基于SnO2紧致电子选择层的钙钛矿太阳能电池透视
摘要：
考虑到光伏性能的显着进步，学者们近两年来一直关注钙钛矿太阳能电池（PSCs）。TiO2薄膜是具有宽带隙的半导体，通常用作PSC中的电子选择层（ESL）。尽管SnO2的导电性高于TiO2，但它在PSC中用作紧凑型ESL还尚未被报道。在这项研究中，通过溶胶 - 凝胶法制备纳米晶SnO2薄膜，然后进行表征。制备的SnO2薄膜由小的四方金红石纳米晶体组成。我们将SnO2紧凑型ESL应用于PSC，并将其性能与基于TiO2薄层的PSC的性能进行了比较。基于SnO2-ESL的PSC（S-PSC）相较于常规的TiO2-ESL基PSC显示出更高的短路电流密度和更低的开路电压，填充因子和转换效率。此外，S-PSC的光伏性能高度依赖于测量手段，本文研究了这种关系并进行了详细讨论。
介绍：
随着能源危机的加剧，能源结构中的可再生能源比例一直在增加。太阳能由于其清洁，方便和取之不尽的特点，在许多研究机构中备受关注。通过使用已经达到第三代的光伏（PV）装置，例如太阳能电池，太阳能可以有效地转换成电能。前两代太阳能电池基于晶体硅和其他半导体，并表现出高功率转换效率（PCE）。尽管它们具有优点，但是这些太阳能电池的开发和实际应用受到其繁琐的加工，高成本和环境不友好性的限制。第三代太阳能电池具有许多吸引人的特性，例如低成本，环境友好和制造简单。染料敏化太阳能电池（DSSCs）是典型的第三代太阳能电池，拥有最高的记录的PCE（迄今为止超过13％）。然而，DSSC的商业化受到由液体电解质的泄漏和蒸发引起的耐久性的阻碍。通过开发固态DSSC或类似的PV器件可以解决这些限制。
2012年，固体有机 - 无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSC）的出现促使学者们重新设计太阳能电池，以改善结构和效率。过去2年，PSC的效率急剧上升接近20％。PSC通常由FTO导电基板，致密电子选择层（ESL），中孔支架层（可选），有机 - 无机杂化钙钛矿层，空穴传输材料（HTM）和金属电极组成。紧凑的ESL从光吸收剂中提取光生电子这在具有各种配置的PSC中是必不可少的。据先前的一项研究显示，TiO2或ZnO纳米晶体是PSC中有效的ESL材料。作为具有宽间隙和与TiO2或ZnO类似的性质的氧化物半导体，SnO2在染料敏化太阳能电池中被用作光电阳极。SnO2也具有载流子传输能力。尽管它们具有潜力，但在PSC中使用SnO2作为ESL尚未被报道。因此，必须评估S-PSC的性能和PV特性。
在这项研究中，我们通过溶胶 - 凝胶技术制备了纳米晶SnO2，在PSC中使用SnO2薄膜作为紧凑型ESL，并评估了PV性能。S-PSC显示出短于常规T-PSC的短路电流密度（Jsc）。严重的电荷重组导致S-PSC中的开路电压（Voc）和填充因子（FF）低于T-PSC中的开路电压，最终导致较低的PCE。与T-PSC相比，测量方法的类型显着影响了S-PSC的性能评估。
实验细节：
材料和试剂。除非另有说明，否则所有材料均购自Sigma-Aldrich或Alfa Aesar，并按原样使用。TiO2糊料购自Dyesol（18NR-T）。氟掺杂的氧化锡（FTO，15Omega;/ sq）购自Pilkington（美国）。CH3NH3I根据报道的方法合成。
设备制造。通过用Zn粉末和在去离子水中稀释的2M HCl蚀刻来图案化氟化氧化锡（F：SnO2）涂覆的玻璃。然后用在去离子水中稀释的2％hellmanex清洗蚀刻的基板，再用去离子水，丙酮，异丙醇和去离子水冲洗;并用干净的干燥空气干燥。通过在5000rpm下在干净的基板上旋涂SnO2有机溶胶30秒，然后在450℃的炉中烧结，形成SnO2致密ESL。通过在无水乙醇中溶解的SnCl2·2H2O制备SnO2有机溶胶。将溶液在磁力搅拌装置上在80℃的温度下搅拌3小时，然后在30℃下老化3小时并在室温下老化24小时。然后将该SnO2有机溶胶用于涂覆致密的SnO2膜。将SnO2有机溶胶的浓度调节至0.7,0.5,0.25和0.125M。我们发现0.5M是最佳浓度。通过在清洁的基板上以3000rpm旋涂TiO2有机溶胶30秒，然后在450℃的炉中烧结2小时，形成致密的锐钛矿TiO2薄层。然后根据报道的方法制备TiO2致密层的溶胶。通过旋涂在乙醇（2：7，重量比）中以5000rpm稀释30秒的市售TiO2糊剂（Dyesol-18NR-T，Dyesol）制备中孔TiO2层。在125℃下干燥后，将TiO2膜逐渐加热至500℃，在该温度下烘烤30min，并冷却至室温。然后通过以5000rpm旋涂5秒将介孔TiO2膜用PbI2渗透，并在75℃下干燥30分钟。冷却至室温后，将CH3NH3I的膜浸入异丙醇（10mg / mLminus;1）溶液中60秒，用异丙醇冲洗，并在75°下干燥持续30分钟。进而制备钙钛矿薄膜。最后，在器件顶部热蒸发50nm的Ag以形成背接触。该电极的有效区域固定在0.06cm2。所有装置均在手套箱中制造。
结果和讨论
形态与结构：通过SEM表征了两种致密ESL的表面和横截面形貌。
图1. SnO2致密ESL（a，b）和TiO2致密ESL（c，d）的顶视图和横截面SEM图像。
图中表明了紧凑型SnO2-ESL可以完全覆盖FTO，从而避免上层与FTO直接接触并最小化电荷分流路径。优化的SnO2-ESL的厚度约为100nm，如图所示1b. 相比之下，图1c,d 表明常规制备的TiO2-ESL（约50nm）仍可很好地覆盖FTO基材。从图像中我们可以发现大的SnO2纳米颗粒无法完全覆盖FTO，如TiO2。因此，我们需要比TiO2更厚的层来完全覆盖FTO。
图2.SnO2致密层的X射线衍射图案。（b）TiO2ESL / HTM / TiO2ESL和SnO2ESL / HTM / SnO2ESL的线性扫描伏安曲线
通过X射线衍射研究了在450℃烧结的致密SnO2-ESL的结晶度，如图2（a）根据JCPDS 41-1445数据，SnO2样品被鉴定为四方金红石相，并且衍射峰在2theta;= 26.6°，33.9°，37.9°和51.8°处分别对应于（110），（101），（200）和（211）晶面。在图中2（b）SnO2显示出更高的电流密度，这表明SnO2ESL具有高于TiO2的电导率，有利于ESL中的电子传输。该结果与SnO2显示出高于TiO2的电子迁移率的事实一致。在设计PSC器件的各种方法中，掺入中孔TiO2电子传输层在PV性能方面提供稳定的再现性。在这项工作中，中孔TiO2层用于制造T-PSC和S-PSC。PSC装置的横截面SEM图像显示在图中3其中FTO，SnO2致密ESL，中孔TiO2，钙钛矿，HTM（Spiro-OMeTAD）和Ag电极都有明显的标记。
充分填充中孔TiO2层并用钙钛矿CH3NH3PbI3覆盖，在其上面均匀地制备Spiro-OMeTAD层和Ag电极。S-PSC的PV性能测试如图所示3，使用TiO2-ESL制造两种PSC和SnO2-ESL。电流 - 电压（J-V）特性为在AM 1.5G下测量，具有1个太阳照射（100mW cmminus;2）。平均PV参数约为20 PSC。每组的设备如图所示4a 并总结在表中1. 尽管有高Jsc，但S-PSC表现出Voc和FF。
图3.S-PSC的横截面SEM图像
图4.（a）J-V特性，（b）J-V特性曲线和暗曲线，（c）S-PSC和T-PSC的入射光子 - 电子转换效率（IPCE）光谱，和（d） ）在SnO2和TiO2致密ESL上制备的钙钛矿薄膜的光致发光衰减曲线。
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S-产品分成合同 0.84 plusmn; 0.02 |
19.80 plusmn; 0.79 |
0.41 plusmn; 0.01 |
6.87 plusmn; 0.39 |
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T-产品分成合同 0.95 plusmn; 0.02 |
18.92 plusmn; 1.56 |
0.70 plusmn; 0.02 |
12.67 plusmn; 1.22 |
表1 S-PSC和T-PSC的光伏参数
图4中的两条典型J-V曲线4b 表明T-PSC呈现18.59mA cmminus;2的Jsc，0.95V的Voc和0.71的FF，产生12.5％的PCE。尽管S-PSC的Jsc（20 mA cmminus;2）略高于T-PSC，但前者仍表现出较低的Voc为0.83 V，FF为0.42，PCE为7.02％。值得注意的是，Voc的差异可归因于其中以TiO2-ESL为基础和以SnO2-ESL为基础的中孔TiO2层作为骨架的细胞结构。设备。因此，不是TiO2或SnO2致密ESL，而是介孔TiO2层主要和直接接触CH3NH3PbI3，进而确定Voc。在较小的分流电阻（Rsh）和较高的暗电流曲线的基础上（图4b), S-PSC的较低Voc和FF与在SnO2和CH3NH3PbI3之间的界面处发生的严重电荷重组高度相关，类似于SnO2 - 基于DSSCs，其中更快的界面电子复合是由SnO2导电带的更多正向偏移引起的。
S-PSC和T-PSC的入射光子 - 电流转换效率（IPCE）光谱如图所示4c. S-PSC在550nm之前表现更好，而T-PSC在550至750nm之间表现优异。通常，根据J-V中的Jsc ，S-PSC产生光电流高于T-PSC。我们还评估通过在具有钙钛矿/ ESL / FTO结构的样品上进行时间分辨光致发光（PL），比较了ESL从钙钛矿中提取电子的能力。数字4d 表明含有SnO2-ESL的样品显示出比含有TiO2-ESL的样品更快的PL衰变速率。该发现表明SnO2-ESL表现出更快的电荷转移动力学。基于SnO2的器件中基于TiO2的器件中的载流子提取效率更高可能是由于SnO2-ESL的载流子迁移率较高或导带能级较低所致。这个优点可以被视为导致高Jsc的因素。用SnO2 - 和TiO2-ESLs制造的PSC的反向扫描模式和反向扫描模式。详细的PV参数总结在表2中。
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2 |
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T-PSC反向扫描 |
0.95 |
18.12 |
0.71 |
12.18 |
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T-PSC正向扫描 |
0.91 |
19.18 |
0.60 |
10.54 |
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S-PSC反向扫描 |
0.85 |
20.31 |
0.43 |
7.43 |
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S-PSC正向扫描 |
0.77 |
21.52 |
0.35 |
5.91 |
表2. SnO2基和TiO2的太阳能电池参数
在S-PSC和T-PSC中也观察到滞后，如通过反向扫描评估的PV性能比来自正向扫描的PV性能所表明的更好。
图5.扫描方向对两种钙钛矿太阳能电池的电流 - 电压特性的影响。
红线和黑线分别代表用反向扫描和正向扫描测量的数据，其中反向扫描定义了开路测量短路和正向扫描反之亦然。光强度为AM 1.5G 太阳照射。基于不同扫描方向的太阳能电池反向扫描分别为18.12mA cmminus;2，0.95V和0.71，产生12.18％的PCE。相比之下，来自正向扫描的相应值是19.18mA cmminus;2，0.91V和0.60，PCE较低，为10.54％。在S-PSC中，反向和正向扫描的PCE分别为7.43％和5.91％。这种滞后和差异可能是由钙钛矿吸收剂中的缺陷状态和钙钛矿的铁电性质或器件中的过量离子（例如碘离子或甲基铵）引起的。为了获得可靠的PV数据，我们在测量协议中加入了一些预防措施，例如AM1.5G标准光源和校准参考单元。通常，用于测量的太阳能电池应覆盖有不透明的掩模，以专门暴露有源区域并消除相邻区域的额外贡献。先前的研究表明，不同的掩蔽构型影响DSSC和聚合物富勒烯本体异质结太阳能电池。J-V测量并发现使用掩模的效果在T-PSC中不显著。
图6.（a）电流 - 电压曲线和（b）掩蔽（圆圈）和无掩蔽（正方形）条件下S-PSC的IPCE光谱
VOC (V) JSC (mA/cm2 FF PCE (%)
没有面罩的S-PSC 0.86 30.99 0.39 10.30
带掩模的S-PSC 0.82 19.22 0.40 6.30
没有面罩的T-PSC 0.93 16.49 0.71 10.97
带面罩的T-PSC 0.92 17.28 0.70 11.18
表3.不同掩蔽方向的S-PSC的太阳能电池参数
与其他研究相似，我们的实验（图6 和表3) 还表明，掩模对T-PSC最终结果的影响不太明显。用掩模测量的T-PSC提供10.97％的PCE，而没有掩模测量的那些产生的PCE为11.18％。相反，在没有或存在
资料编号：[5483]
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