Science：采用接触钝化法制备高效稳定的平面钙钛矿型太阳能电池

【引言】

钙钛矿太阳能是近几年兴起的一类具有巨大应用前景的太阳能电池，它具有光电转换效率高、成本低以及制备工艺简单等突出优点，而平面结构钙钛矿电池具有制备工艺简单、低温制备且与柔性器件制备工艺兼容等优势。金属卤化物钙钛矿型太阳能电池的发展为新一代光伏器件的发展吸引了更多的研究，因为光伏器件有高的太阳能发电功率转换效率 （PCE）和低制造成本等优点。性能较好的金属卤化物钙钛矿型太阳能电池依靠高温度烧结介孔 TiO₂作为电子选择层 （ESL），PCE值已经达到了22.1%。然而，这种高温处理使制造更复杂，阻碍了柔性模块和钙钛矿型单片串联器件的发展。

【成果简介】

平面钙钛矿太阳能电池通过低温溶液处理（< 150℃）为简化生产提供保障，与柔性衬底和钙钛矿型串联设备具有兼容性；然而，他们需要类似电子选择层这样的处理来更好的运行。近日，来自多伦多大学的Edward H. Sargent教授（通讯作者）带领的研究团队的相关研究成果发表于Science，题目为：“Efficient and stable solution-processed planar perovskitesolar cells via contact passivation”。研究人员使用氯气覆盖二氧化钛胶体纳米晶（NC）膜以达到接触钝化的目的，减少界面重组并改善低温时平面太阳能电池界面结合薄膜的性能。实验制造的太阳能电池的活跃区域为0.049和1.1平方厘米，通过低温溶液处理，分别实现20.1%和19.5%的稳定效率。太阳能电池的效率> 20%，在 1太阳照度下，最大功率点在室温下连续运行500h后仍保留了初始值的90%（暗恢复后达到97%）。

【图文导读】

图一：Cl对钙钛矿和TiO₂界面质量的影响，以及Cl覆盖TiO₂（TiO2-Cl）胶体纳米晶体的稳定性

（A）在价带的边缘有像局部反位缺陷一样的PbI₂终止TiO₂/钙钛矿型接口。

（B）从PbCl₂终止接口看到浅层和非定域的Pb-Cl反位缺陷。

（C和D）二氧化钛NC膜中Cl 2p在XPS谱的峰值：先合成，再分散于甲醇和氯仿助溶剂中（MeOH+CF），再作为稳定剂分散在乙醇和二异丙氧基双乙酰丙酮钛溶液中（EtOH+TiAcAc）和（D）不同退火温度下的TiO₂-Cl NC膜：室温（RT），100℃，150℃和250℃。

图二：TiO₂-Cl钙钛矿薄膜结构及其性能研究

（A）器件结构和平面钙钛矿型太阳能电池扫描电子显微镜（SEM）的横截面图像。

（B和C）从ITO基板俯视TiO₂-Cl薄膜的SEM图像（B）和TiO₂-Cl上的钙钛矿薄膜（C）。

（D）TiO₂和TiO₂-Cl钙钛矿薄膜的XRD图。裸露玻璃、TiO₂和TiO₂-Cl钙钛矿薄膜覆盖ITO基板的稳态荧光光谱（E）和时间分辨荧光衰减图（F）。TiO₂和TiO₂-Cl 钙钛矿薄膜在TiO₂和TiO₂-Cl 快速充电萃取有效淬火时的PL信号。

图三：通过TiO₂-Cl提高钙钛矿太阳能电池的光伏性能

（A）TiO₂和TiO₂-Cl的金属卤化物钙钛矿型太阳能电池作为ESLs测量得到的反向和正向扫描J-V曲线。

（B）TiO₂-Cl 204设备上的PCE值直方图。

（C）规范化的瞬态光电流衰减和（D）规范化TiO₂和TiO₂-Cl太阳能电池作为ESLs的瞬态光电压衰减。A-D图显示MAFA有钙钛矿结构。

（E）在正向和反向扫描测得的最佳小面积（0.049平方厘米）CsMAFA的J-V曲线。

（F）反向扫描测得的最佳大面积（1.1平方厘米）CsMAFA的J-V曲线显示PCE为20.3%（V_OC=1.196V，J_SC=2.22mA cm^-2，FF=76.4%）。插图为大面积设备的照片。MAFA 和CsMAFA分别代表钙钛矿组成FA_0.85MA_0.15PbI_2.55Br_0.45和Cs_0.05FA_0.81MA_0.14 PbI_2.55Br_0.45。

图四：TiO₂和TiO₂-Cl钙钛矿太阳能电池设备的长期稳定性

（A）使用TiO₂和TiO₂-Cl非封装的金属卤化物钙钛矿型太阳能电池在黑暗条件下贮藏的稳定性。未密封的电池保存在干燥柜（相对湿度＜30%，黑暗条件）并定期在氮条件下进行测量。反向扫描得到PCE值。MAFA 和CsMAFA分别代表钙钛矿组成FA_0.85MA_0.15PbI_2.55Br_0.45和Cs_0.05FA_0.81MA_0.14 PbI_2.55Br_0.45。

（B）高性能未密封CsMAFA电池和TiO2-Cl在氮气氛围，AM1.5光谱条件下连续500h跟踪到的最大功率点（MPP）。反向J-V扫描得到PCE值，从反向J-V扫描可以看到设备保留了初始值的95%。

（C）不同阶段PSC的 J-V曲线（如B所示）：初始，经过500小时MPP跟踪，暗恢复后。无紫外滤光片下测量的J-V曲线。

【小结】

总之，在TiO₂-Cl /钙钛矿型接口和抑制界面复合的超强结合使基于TiO₂-Cl的平面钙钛矿型太阳能电池具有超强的稳定性。用这种新方法来制备高效、稳定的金属卤化物钙钛矿太阳能电池更加简便，同时具有更广阔的发展空间，和未来的基于光伏技术的工业化发展具有更好的兼容性。它为发展器件的柔韧性，并结合低带隙半导体材料形成串联器件提供了一个有效的路径。

文献链接：Efficient and stable solution-processed planar perovskite solar cells via contact passivation（Science，2017，DOI: 10.1126/science.aai9081）

本文由材料人新能源组 yuyuyu 供稿，材料牛编辑整理。

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