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SnO2 在钙钛矿太阳电池中的应用综述
熊良斌，郭亚雄，文健，刘洪日，杨光，李平利，郭家芳
SnO2 在许多成功的最先进的钙钛矿太阳能电池（PSC）中得到了很好的研究，因为它具有良好的特性，如高迁移率，宽带隙，深导带和价带。一些独立的研究表明，具有SnO2介孔的PSC的性能高于具有TiO2介孔的PSC，特别是在器件稳定性方面。2015年，报道了第一个平面PSC，使用低温溶胶衍生的SnO2纳米晶体电子传输层（ETL），其功率转换效率超过17％。从那时起，许多其他团体也报告了基于SnO2 ETL的高性能PSC。SnO2平面PSC目前在平面配置器件中表现最高（21.6％），并且接近于保持记录的TiO2介孔PSC，表明它们在PSC中具有作为ETL的高潜力。应用SnO2作为ETL的主要问题是它在高温工艺中遭受退化，并且与钙钛矿相比其低得多的导带可能导致PSC的电压损失。在这里，概述了迄今为止取得的显著成就，描述了SnO2作为PSC中ETL的独特属性，并讨论了PSC成功开发所面临的挑战以及解决问题的方法。
1.介绍
钙钛矿太阳能电池（PSC）由于其高效，易制造和低成本，已迅速成为光伏领域研究的热门领域。PSC的功率转换效率（PCE）由于其卓越的光物理特性和深入的研究工作，在短短不到9年的时间内迅速从3.8％提高到最近的认证记录PCE 22.7％ ，令人印象深刻的高效率超过多晶硅太阳能电池，表明其快速发展和商业应用的巨大潜力。
具有常规设备配置的PSC通常是n-i-p堆栈。它通常由透明电极，包括致密层和中孔（mp）层（可选）的n型层，本征层（钙钛矿吸收剂），p型层（空穴传输层）和后接触电极组成。通常，致密层应该非常致密和光滑，并且用作电子提取和空穴阻挡的电子传输层（ETL）以防止空穴到达透明电极。此外，空穴扩散长度比其在CH3NH3PbX3中的电子对应物长，自然需要额外的mp氧化物支架来增加接触面积以补偿更短的电子扩散长度。考虑到n型层的重要作用PSC，探索致密层和mp氧化物支架材料，实现高性能PSC成为高度关注的主题，也是最具挑战性的科学问题之一。
目前，有许多n型金属氧化物，如TiO2，SnO2，ZnO，Zn2SnO4，WO3， In2O3，SrTiO3，Nb2O5，CeOx，和BaSnO等，作为ETL进行了探索。其中，TiO2是PSC中使用最多的ETL，尤其是大多数高效PSC，包括目前的记录保持者（稳态PCE，22.7％）。不幸的是，TiO2表现出一些不足，例如电子迁移率不足和光不稳定，特别是当TiO2用作mp支架时，它会对紫外（UV）照射下的器件稳定性产生负面影响。此外经常需要高温工艺（HTP）来去除TiO2 ETL制造中的有机物，导致更高的生产成本和更长的能量回收时间。由于具有高性能，PSC通常使用TiO2 ETL制造，但也开发了其他替代的n型金属氧化物。ZnO是TiO2之后研究最多的ETL。它可以很容易地沉积，不需要HTP，但基于低温工艺（LTP）ZnO的PSC对环境不稳定，可能是由于ZnO表面上的-OH残留导致钙钛矿吸收剂分解。
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在探索的其他金属氧化物中，SnO2是唯一一种像TiO2的，它可以用作PSC中的致密层和mp层。与传统的TiO2相比，SnO2显示出更好的光学和电学性质，与钙钛矿的带对准和稳定性，使其在概念上更可能成为高效PSC的候选者。其在可见光区域的优异光学透明性非常适用于太阳能转换装置和光伏电池中的商业应用。
SnO2作为ETL的应用首先在染料敏化太阳能电池（DSSC）中得到证实，但由于与TiO2 DSSC相比其PCE相对较差，因此很少受到关注。它还试图在一些其他薄膜光伏器件中用作ETL，例如Sb2S3太阳能电池。PSC中SnO2的初步研究几乎同时在许多研究中进行。戴和他们的同事和我们的团队分别报告了效率分别为3.9％和17.2％。之后，SnO2 ETL受到越来越多的关注并取得了迅速的进展。最近，我们的团队通过优化的SnO2量子点（QD）平面PSC获得了更高的效率20.79％。Hagfeldt及其同事开发了一种化学浴后处理SnO2 PSC，效率接近21％。广泛的比较研究表明SnO2 PSC的性能高于TiO2 PSC，特别是在器件稳定性方面，表明SnO2作为PSC中ETL的巨大潜力和前景。
鉴于SnO2作为ETL取得了相当大的成就，因此必须概述SnO2在PSC中的应用。然而，目前的综述文章主要关注的是PSC中用作ETL的n型材料的一般情况。迄今为止，PSC中仅有两篇关于SnO2的评论文章。第一个是由Wali等人撰写的，他强调将SnO2 PSC的性能与TiO2和ZnO器件的性能进行比较。在另一篇透视文章中，向我们介绍了不同形式的SnO2 ETL的最新进展，并重点介绍了PSC的器件稳定性。两篇综述论文都很好地介绍了基于SnO2的PSC的一些重要方面。但是，显然还不足以涵盖所有方面。在这篇综述中，我们强调了SnO2作为ETL的有利属性和制备技术。我们专注于原始SnO2作为致密层和mp支架的优点和缺点，并讨论PSC成功开发所面临的挑战。我们希望这篇综述有助于精确控制SnO2作为ETL，从而进一步改善基于SnO2的PSC的性能。
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梁良斌获得博士学位。2010年获得华中师范大学凝聚态物理学博士学位。2012 - 2013年，他在香港中文大学担任搜索助理。2013年，他成为湖北工程大学副教授。目前是博士后助理，在武汉大学物理系。他的研究兴趣包括薄膜光伏器件和光催化领域。 郭亚雄于2013年获得武汉理工大学学士学位。他目前正在攻读博士学位。在武汉大学郭家佳教授的监督下。他的研究兴趣主要集中在聚合物太阳能电池和无机 - 有机杂化钙钛矿太阳能电池。 郭家芳获得博士学位。2001年获得华中科技大学物理电子学博士学位。1996-1997年，他成为伦敦大学帝国电气电子工程系的搜索助理。2001-2003年，他成为清华大学（北京）电子工程系的博士后助理。2003年，他加入了中国湖北武汉大学，现任教授。2003年至2004年，他成为帝国理工学院电气工程系的客座教授。他的研究兴趣包括薄膜光伏器件，发光二极管和相关器件。 |
2.SnO2作为PSC中ETL的一般特征
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SnO2是光伏领域中极具潜力的材料。在所有透明导电氧化物材料中，F掺杂的SnO2是最便宜的并且具有最高的功函数，与p-Si的最佳接触，最佳的热稳定性，最佳的机械耐久性，最佳的化学耐久性和最小的毒性。特别是作为ETL的SnO2具有宽带隙，深导电性和价带，光学和化学稳定性优异，透明性高，流动性高，易于低温制备等各种优点。在本节中，我们将讨论SnO2的独特属性（图1）。
图1 SnO2 作为PSC中ETL的独特优势
2.1 SnO2的带结构
目前应用于PSC的SnO2是四方金红石结构，是天然存在的锡石的最重要形式。金红石型SnO2具有四方空间，属于四方系统。晶格参数为alpha;=beta;=Ƴ=90°，a=b=0.473nm，c=0.318nm。晶胞包含六个原子，两个锡和四个氧，如图2a所示。理论研究表明，金红石SnO2产生了位于布里渊区C点的直接带隙。SnO2的结构如图2b所示。SnO2的带隙报告参考范围为3.5至4.0eV以上（非晶SnO2甚至高达4.4eV），具体取决于其特定的合成条件。
对于所有钙钛矿材料如MAPbI3，FAPbI3，MAPbBr3和CsSnI3 ，约3.4-3.9eV，低于SnO2具有的约4.5eV的导带（CB）（图2b）。然而，SnO2的低CB可以降低钙钛矿和SnO2 ETL之间的肖特基势垒的内建电势，从而降低PSC的电压。这个问题可以通过表面修改来解决，更多细节将在后面讨论。此外，SnO2的CB主要来自Sn5s-O2p轨道相互作用。这产生了具有低有效质量的大CB分散体，产生高电子迁移率。SnO2的价带顶部（VB）主要由O（p）态组成，其价带在9eV附近相对较深。
图2c显示了SnO2 PSC的完整器件结构。SnO2与钙钛矿层的良好带对准理论上确保了高质量的p-n异质结。此外，SnO2的高电子迁移率有助于它有效地从钙钛矿中提取电子。研究表明，与0.89V的TiO2器件相比，可以获得更高的内置电位（0.94V）的SnO2/钙钛矿异质结，然后延迟电荷复合，从而增加VOC和填充因子（FF）。SnO2/钙钛矿异质结的高质量意味着改进的电气参数，如根据J-V曲线从器件内阻中提取Rs、Rsh。Rs和Rsh的改进是抑制SnO2/钙钛矿界面的载流子复合，使SnO2器件的Voc明显增加。
图2 a）金红石结构中SnO2 的四方晶胞的键合几何结构 b）异质结SnO2/钙钛矿的能级（相对于真空能级） c）基于典型的全器件结构的SnO2 ETL的示意图，其具有可选的mp SnO2 层。
2.2 SnO2的光学和电学特性
SnO2在玻璃中具有90％的优异透光率，因为它具有宽带隙和小的反射系数。在早期工作中，我们观察到SnO2薄膜显示出比TiO2更高的透射率薄膜，甚至可以帮助增加F掺杂氧化锡（FTO）玻璃的透射率（图3a）。最近，我们使用SnO2 QD薄膜作为ETL，其透射率甚至超过95％可见区域（图3b）。与TiO2比较，紫外可见光区域的高效光管理使光子可以轻易穿过并被钙钛矿吸收剂吸收，使SnO2吸收更少的紫外线，同时具有更好的器件稳定性。此外，SnO2具有100倍的电子迁移率（高达240cm2（V s）-1和比TiO2更深的CB。
图3 a）沉积在FTO基底上的SnO2 薄膜的透射光谱 b）沉积在石英玻璃基板上的SnO2 膜的透射光谱
2.3 低温制备
在制备ETL的过程中，通常需要HTP来消除有机物或添加剂。然而，HTP导致更多的生产成本和能量回收时间。基于塑料基板的柔性PSC仅在LTP中可用。因此，LTP ETL的制备应该通过改进制造程序或开发新途径来实现。TiO2也可以用LTP制造。例如，Grauml;tzel及其同事和Snaith及其同事分别在70℃和150℃下制造了TiO2 。然而，制备LTP TiO2相对复杂，其结晶也很困难。幸运的是，SnO2 ETL的情况完全不同。LTP成为沉积SnO2 ETL的优先选择的一个原因是HTP SnO2由于退火效应，性能下降，使界面接触和电性能变差，与相邻钙钛矿的能量水平不对称。此外，LTP SnO2易于操作且成本低，并且被证明是用于高效PSC的优异ETL材料。我们小组首先开发了低温溶液处理的SnO2作为平面PSC的ETL。采用LTP SnO2的PSC平均效率为16.02％，开路电压（Voc）为1.11 V，甚至优于TiO2。LTP SnO2的优异性能因为ETL随后被许多其他团队的工作所证实。总之，LTP由于
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