赤铁矿电子传输层界面优化以提升钙钛矿太阳能电池中的电荷传输效率

能源工程 能源化学 化学 材料学 工程学 材料化学
钙钛矿太阳能电池 血红素 界面优化 电荷传输 稳定性

界面优化提升钙钛矿太阳能电池性能的研究

背景介绍

近年来，钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）因其高功率转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）和相对较低的制造成本，成为第三代光伏技术中最具前景的候选者之一。然而，尽管PSCs在实验室条件下取得了显著进展，其商业化应用仍面临诸多挑战。其中，界面复合和器件稳定性问题尤为突出。这些问题主要源于钙钛矿材料本身对水分、氧气、热和紫外线的敏感性，以及电子传输层（Electron Transport Layer, ETL）与钙钛矿吸收层之间的不良接触。

为了解决上述问题，研究人员提出通过界面工程优化电子传输层与钙钛矿层之间的接触，从而减少界面复合损失并提高电荷传输效率。在此背景下，Muhammad Anwar Jan等人开展了一项研究，旨在探索一种新型界面层——哌嗪二碘化物（Piperazine Dihydriodide, PZDI）在基于赤铁矿（Hematite, α-Fe₂O₃）ETL的PSCs中的应用效果。该研究不仅关注PZDI对器件性能的提升，还探讨了其在长期稳定性方面的潜力。

论文来源

这篇论文由Muhammad Anwar Jan、Hafiz Muhammad Noman、Akbar Ali Qureshi和Fuchun Yang共同撰写，分别隶属于山东大学高效清洁机械制造教育部重点实验室、山东大学国家机械工程实验教学示范中心以及巴基斯坦巴哈丁·扎卡里亚大学机械工程系。论文于2024年10月31日投稿，并于同年12月31日被接受，最终发表在《Optical and Quantum Electronics》期刊上（DOI: 10.1007/s11082-024-08033-8）。

研究内容及流程

a) 研究流程

本研究主要包括以下几个步骤：

1. 材料准备

研究团队使用了一系列化学试剂和前驱体溶液来制备PSCs的核心组件。例如，赤铁矿ETL通过溶解九水硝酸铁（Fe(NO₃)₃·9H₂O）于乙醇中制得；PZDI界面层则通过将PZDI溶于氯苯并搅拌过夜制备而成。此外，钙钛矿前驱体溶液由甲脒碘化铅（FAI）、溴化甲胺（MABr）、碘化铅（PbI₂）和溴化铅（PbBr₂）混合而成，用于形成三阳离子钙钛矿薄膜。

2. 器件制备

研究采用了标准N-I-P结构制备PSCs。具体步骤如下： - 基底清洗：ITO玻璃基底依次用去离子水、丙酮和异丙醇清洗。 - ETL沉积：将赤铁矿前驱体溶液旋涂到ITO基底上，并在空气中以300°C退火1小时。 - 界面层沉积：将PZDI溶液旋涂到赤铁矿层上，并在100°C下退火10分钟。 - 钙钛矿层沉积：采用反溶剂法将钙钛矿前驱体溶液旋涂到界面层上，并在120°C下退火10分钟以促进结晶。 - 空穴传输层（HTL）沉积：将Spiro-OMeTAD溶液旋涂到钙钛矿层上，并在干燥环境中静置12小时以完成氧化。 - 金属电极蒸发：通过热蒸发技术在HTL上沉积银（Ag）作为顶电极。

3. 表征与测试

为了全面评估器件性能，研究团队采用多种表征手段： - X射线衍射（XRD）：分析赤铁矿和钙钛矿薄膜的晶体结构。 - 扫描电子显微镜（SEM）：观察薄膜表面形貌和截面结构。 - 光致发光（PL）和时间分辨光致发光（TRPL）：研究电荷传输机制和复合动力学。 - 电化学阻抗谱（EIS）：测量器件的复合电阻。 - 电流-电压（J-V）曲线：评估器件的光伏性能。 - 外量子效率（EQE）：分析光电流生成能力。

b) 主要结果

1. 结构与光学特性

XRD分析表明，加入PZDI界面层并未显著改变赤铁矿和钙钛矿的晶体结构，但有效减少了表面缺陷密度。透射光谱显示，PZDI的引入对整体透明度影响较小，仅轻微降低了可见光范围内的透射率。SEM图像进一步证实，PZDI修饰后的薄膜表面更加平滑且均匀，这有助于减少界面粗糙度和缺陷。

2. 光伏性能

  • PCE提升：未修饰的参考器件PCE仅为13.0%，而加入PZDI界面层后，目标器件的PCE显著提高至17.5%。这一改进主要归因于更高的短路电流密度（Jsc=21.29 mA/cm²）、开路电压（Voc=1.13 V）和填充因子（FF=72.91%）。
  • 稳定性增强：经过500小时的环境条件测试，目标器件保留了初始效率的91.8%，而参考器件仅保留了82.9%。这表明PZDI界面层能够有效抑制湿气侵入和界面复合。

3. 电荷传输与复合动力学

PL和TRPL分析显示，PZDI界面层显著降低了辐射复合强度，同时缩短了快速衰减时间常数（τ₁=4.82 ns），表明电荷提取效率更高。此外，EIS结果显示，PZDI修饰的器件具有更大的复合电阻，进一步验证了其在减少界面复合方面的优势。

c) 结论与意义

本研究表明，PZDI界面层在优化赤铁矿ETL与钙钛矿吸收层之间的接触方面发挥了关键作用。它不仅提高了器件的PCE和稳定性，还增强了可重复性和规模化生产的潜力。这些成果对于推动PSCs的商业化进程具有重要意义。

从科学价值来看，这项研究揭示了界面工程在改善钙钛矿太阳能电池性能中的核心作用。从应用价值来看，PZDI作为一种简单有效的界面材料，有望在未来高性能、长寿命和可扩展的PSC技术中占据重要地位。

d) 研究亮点

  1. 创新性界面材料：首次将PZDI应用于赤铁矿ETL与钙钛矿层之间，实现了显著的性能提升。
  2. 综合性能优化：PZDI不仅提高了PCE，还增强了器件的稳定性和可重复性。
  3. 系统性表征：结合多种先进表征技术，全面解析了PZDI的作用机制。

e) 其他有价值信息

研究团队强调，未来工作应进一步探索其他类型的界面材料及其在不同ETL体系中的应用潜力。此外，他们建议结合理论模拟和实验研究，深入理解界面层对电荷传输和复合动力学的影响机制。