Adv. Mater.：不可渗透的氧化锡电子提取层成就无铟-钙钛矿太阳能电池

【引言】

自从有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PVSCs）问世，该领域便受到极大关注。近几年来，PVSC的功率转换效率（PCE）从3.8％提高到22％以上。目前，PVSC是与晶体硅（c-Si）和Cu(In,Ga)(Se,S)₂ 太阳能薄膜电池形成串联电池的重要候选者，旨在将PCE提升到30％的水平。除此之外，半透明、高效灵活的PVSC有着广泛的应用设想，诸如实现透明电极的可持续发展。透明电极可在低成本下大量制备，并且产生超过铟锡氧化物（ITO）的导电性和透射率。

【成果简介】

近日，德国伍珀塔尔大学电子器件研究所Thomas Riedl教授和南昌大学陈义旺教授（共同通讯作者）等人用腐蚀性前体制备有机-无机杂化钙钛矿光敏层，使超薄金属层能作为半透明下电极应用于PVSC。通过在原子层沉积（ALD）引入氧化锡 (SnO_x)，有效地防止了金属腐蚀。ALD具有优异的渗透阻隔性能，适用于铟锡氧化物（ITO）-半透明下电极(SnO_x/Ag 或 Cu/SnO_x)。研究得到无迟滞现象的钙钛矿太阳能电池，稳定的功率转换效率可达15.3％。该成果以“Indium-Free Perovskite Solar Cells Enabled by Impermeable Tin-Oxide Electron Extraction Layers”为题于2017年5月8日发表在期刊Advanced Materials上。

【图文导读】

图一：基于O₃- SnO_x，等离子体-SnO_x和H₂O-SnO_x的PVSC测试数据

a）PVSC横截面的扫描电子显微照片。

b）在100 mV s⁻¹扫描速率下，基于O₃- SnO_x，等离子体-SnO_x和H₂O-SnO_x的PVSC的电流-电压特性。

c）基于O₃- SnO_x，等离子体-SnO_x和H₂O-SnO_x器件的外部量子效率和集成电流密度。

d）在短路（开路）和最大功率点状态下，电流密度随时间的变化。

图二：180nm钙钛矿膜的X射线衍射图

分别使用O₃- SnO_x，等离子体-SnO_x和H₂O-SnO_x沉积在玻璃/ SnO_x上。 插图放大了PbI₂ 峰值区域。

图三：原始状态下和顶部沉积MAPbI₃层的不同SnO_x变体的电子结构

使用开尔文探针（KP）、紫外和X射线光电子能谱（UPS，XPS）以及反向光电子能谱（IPES）对SnO_x层及其各界面进行了的详细分析。其中开尔文探针分析了逸出功φ，O₃-SnO_x为4.12eV，等离子体-SnO_x为4.32eV，H₂O-SnO_x为4.3eV。能级位置由制备层的UPS和IPES测量确定。

图四：电极的透光光谱

a）光传输光谱。

b）基于不同Ag和 SnO_x的电极与商用的ITO在玻璃上的照片对比。

图五：钙钛矿太阳能电池的性能测试

a）基于透明电极H₂O-SnO_x/Ag/H₂O-SnO_x/O₃-SnO_x的器件层序列。

b）100 mV s⁻¹扫描速率下，太阳能电池的J-V特性。插图是相应的性能参数。

c）基于透明电极H₂O-SnO_x/Ag/H₂O-SnO_x/O₃-SnO_x的代表性器件的外部量子效率。

【小结】

研究展示了基于SnO_x电子提取层的钙钛矿太阳能电池的比较研究。使用水、臭氧或氧等离子体作为氧化剂，通过原子层沉积制备的SnO_x。 其中基于O₃- SnO_x作为电子提取层的器件，具有最佳特性（可达到15.3％的稳定PCE）。光电子能谱展示了所有器件中SnO_x和钙钛矿之间形成的PbI₂界面层。此外，研究设计了基于SnO_x/Ag/SnO_x的无ITO的半透明下电极，其中SnO_x作为电子提取层，以优异的渗透阻隔性能有效地保护了超薄Ag层免受卤化物的腐蚀。所得到的无铟-钙钛矿电池PCE高达11％。

文献信息：Indium-Free Perovskite Solar Cells Enabled by Impermeable Tin-Oxide Electron Extraction Layers (Adv. mater. , 2017, DOI: 10.1002/adma.201606656)

本文由材料人编辑部学术组Meadow编译，点我加入材料人编辑部。

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