梯度钙钛矿同质结实现倒置宽带隙钙钛矿电池的高开路电压

来源：研之成理

▲第一作者：陈聪；通讯作者：方国家；鄢炎发；

通讯单位：武汉大学和美国托莱多大学；

论文DOI：10.1016/j.nanoen.2019.04.069

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本文采用溴化胍（GABr）溶液调节钙钛矿表面的有效掺杂与电子性能，进而形成梯度钙钛矿同质结，实现了高开路电压以及高效的倒置宽带隙钙钛矿太阳能电池。

背景介绍

为了突破肖克利-奎伊瑟极限，钙钛矿叠层太阳能电池是未来发展的一个趋势。然而制备高效钙钛矿叠层太阳能电池的前提则需要制备高开路电压和高效的倒置宽带隙钙钛矿太阳能电池。尽管近些年来，宽带隙钙钛矿太阳能电池取得了一定的进展，如使用添加剂工程、溶剂工程、成分调节以及界面工程等来钝化钙钛矿缺陷，提高器件的开路电压（ACS Energy Lett., 2 (2017) 1177-1182；Adv. Energy Mater., 7 (2017) 1701048；Nat. Commun., 9 (2018) 3100）。

但是，这些大部分都是基于正置结构的宽带隙钙钛矿太阳能电池，不适用于制备叠层电池并且器件具有较大的回滞现象。与此同时倒置结构的宽带隙钙钛矿太阳能电池研究目前还存在一些问题，由于较差的电子性能和钙钛矿薄膜的结晶性，较小的开路电压损失与高效的性能很难同时实现；并且倒置结构中不利的主结（main junction）位置也限制了性能的提高。

研究出发点

基于以上问题，我们首先采用硫氰酸铅（Pb(SCN)2）添加剂和溶剂退火制备倒置宽带隙钙钛矿太阳能电池，此种方法在一定程度上提高了开路电压与性能，减少开路电压损失；但是与应用在正置结构中相比（ACS Energy Lett., 2 (2017) 1177-1182），还是略逊一筹。原因在于主结的位置与正置结构的不一样。为此，我们提出用溴化胍溶液处理钙钛矿表面，形成梯度钙钛矿同质结，以此提高主结的质量，进而实现了 1.24 V 的开路电压以及 18.19 % 的效率。

图文解析

▲Fig. 1. (a)-(c) Top-view SEM images of FA0.8Cs0.2Pb(I0.7Br0.3)3 perovskite thin films with different fabrication approaches. (a) 0% Pb(SCN)2; (b)1.5% Pb(SCN)2; (c) 1.5% Pb(SCN)2 and solvent annealing. (d) Steady-state PL spectra of these three thin films. (e) TRPL decay curves of these three films deposited on bare glass. (f) J-V curves of the best-performance PSCs based on these three perovskite films.  

首先，我们使用 Pb(SCN)2 和溶剂退火增大钙钛矿晶粒，减少晶界，并且晶界处产生的碘化铅可以钝化晶界，如图1(a)-(c)所示。钙钛矿薄膜的质量也因此提高，稳态 PL 与瞬态 PL 测试表明了缺陷的减少与钝化（图1(d)-(e)）。为此器件性能也得到了一定的提高。

▲Fig. 2. (a, e) SEM cross sectional images of the devices (a) without and (e) with GABr treatment. (b, f) Potential profiles across the whole device under different bias voltages. (c, g) Potential differences across the whole device subtracted by the 0 V curve. (d, h) Electric field differences across the whole device, taken by the first derivative in (c, g).

为了进一步提高性能，我们采用溴化胍处理了钙钛矿表面，改善了钙钛矿与 C60/BCP 之间的界面。图2 是未处理与处理溴化胍的开尔文探针力显微镜（KPFM）测试结果。图2(d) 告诉我们未处理的钙钛矿器件在钙钛矿层两个界面具有两个可比拟的结，这种结的存在是不太利于电荷的传输与抽取。因此在经过溴化胍处理之后，仅仅钙钛矿与 C60 的界面存在主结，说明主结的质量提高，有利于电荷的传输与抽取（图2(h)）。

▲Fig. 3. (a) Cross-sectional SEM image and (b) schematic diagram of an inverted wide-bandgap PSC with GPHJ. (c) Secondary electron cut-off and (d) valence band of perovskite thin films without (black line) and with (red line) the GABr treatment deduced from Helium Iα (hν = 21.22 eV) UPS spectra. (e) Schematic energy level diagrams of GPHJ. KPFM surface potential spectra of perovskite thin films (f) without and (g) with the GABr treatment. (h) KPFM surface potential line profiles of the corresponding perovskite films.

▲Fig. 4. (a) J-V curves of the devices based on w/o GABr treatment, (b) EQE spectra of the devices, (c) J-V curves of the device with GABr treatment under different scans. The inset is the steady-state efficiency of the device. (d) Normalized maximum power point tracking of un-encapsulated, GABr-treated wide-bandgap PSCs with Ag and ITO back electrodes, under continuous illumination at room temperature in ambient air.

图3 主要告诉我们经过溴化胍溶液处理之后，钙钛矿表面的功函数发生变化，进而形成梯度钙钛矿同质结。经过紫外光电子能谱和表面 KPFM 测量均能一致证明功函数的改变。最后经过器件性能对比，发现开路电压从 1.2 V 提高到 1.24 V，减少了开路电压损失，提升了器件性能；并且此器件也能保持较好的光稳定性，在 ITO 作透明电极的前提下，100 h 连续光照之后仍能保持 88 % 的效率（图4）。

总结与展望

我们采用了溴化胍溶液处理钙钛矿表面，调节钙钛矿表面功函，形成梯度同质结钙钛矿，使得开路电压达到 1.24 V，器件性能实现 18.19 % 的能量转换效率。截面 KPFM 测量能揭示梯度同质结的工作机理，这指引了我们将来在宽带隙钙钛矿电池中如何进一步减少开路电压损失，实现更高效的钙钛矿叠层电池。

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