低温溶液加工CsPbBr3纳晶薄膜制备钙钛矿太阳电池

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张喜生, 晏春愉, 胡李纳, 王景州, 姚陈忠. 低温溶液加工CsPbBr3纳晶薄膜制备钙钛矿太阳电池[J]. 物理学报, 2024, 73(22): 228101-1. doi: 10.7498/aps.73.20241152
引用本文: 张喜生, 晏春愉, 胡李纳, 王景州, 姚陈忠. 低温溶液加工CsPbBr3纳晶薄膜制备钙钛矿太阳电池[J]. 物理学报, 2024, 73(22): 228101-1. doi: 10.7498/aps.73.20241152
Xi-Sheng Zhang, Chun-Yu Yan, Li-Na Hu, Jing-Zhou Wang, Chen-Zhong Yao. Perovskite solar cells prepared by processing CsPbBr3 nanocrystalline films in low temperature solution[J]. Acta Physica Sinica, 2024, 73(22): 228101-1. doi: 10.7498/aps.73.20241152
Citation: Xi-Sheng Zhang, Chun-Yu Yan, Li-Na Hu, Jing-Zhou Wang, Chen-Zhong Yao. Perovskite solar cells prepared by processing CsPbBr3 nanocrystalline films in low temperature solution[J]. Acta Physica Sinica, 2024, 73(22): 228101-1. doi: 10.7498/aps.73.20241152

低温溶液加工CsPbBr3纳晶薄膜制备钙钛矿太阳电池

    通讯作者: E-mail: zhangxisheng@ycu.edu.cn.; 
  • 中图分类号: 81.05.-t, 84.60.Jt, 88.40.hj

Perovskite solar cells prepared by processing CsPbBr3 nanocrystalline films in low temperature solution

    Corresponding author: E-mail: zhangxisheng@ycu.edu.cn.; 
  • MSC: 81.05.-t, 84.60.Jt, 88.40.hj

  • 摘要: 溶液法制备钙钛矿多晶薄膜过程中, 不仅使用有毒溶剂配置前驱液, 而且热处理仍是诱导钙钛矿晶粒生长的主要途径, 这项工艺会增加能耗, 还阻碍柔性电池的发展. 为消除有毒溶剂的使用和高温处理, 本文通过低温溶液加工CsPbBr3纳晶薄膜获得相应的多晶薄膜, 应用到太阳电池中. 首先热注入法制备CsPbBr3纳米晶墨汁前驱液, 并采用旋涂法制备其纳晶薄膜. 大气环境下, CsPbBr3纳晶薄膜经Pb(SCN)2与NH4Br乙酸甲酯饱和溶液处理制备CsPbBr3多晶薄膜, 将其作为吸收层制备钙钛矿太阳电池, 有效提高了电池的性能, 电池效率达到8.43%. 研究表明, Pb(SCN)2与NH4Br乙酸甲酯(MA)饱和溶液不仅可以使纳晶继续结晶生长, 同时还可以有效地钝化钙钛矿薄膜中的缺陷. 采用该方法制备CsPbBr3多晶薄膜过程中, 既无高温处理, 也无高沸点毒性溶剂的使用, 同时适用于刚性和柔性电池的制备.
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  • 图 1  CsPbBr3纳晶 (a) X射线衍射图; (b) TEM图; (c) SEM图; (d) 多晶薄膜的SEM图, 内插照片分别为纳晶墨汁、纳晶及多晶薄膜在自然光和紫外灯照射下荧光; (e), (f) CsPbBr3纳晶墨汁、纳米晶薄膜和多晶薄膜的(e) 紫外-可见吸收光谱和(f)光致发光光谱图, NC代表纳米晶

    Figure 1.  CsPbBr3 nanocrystalline: (a) XRD spectrum, (b) TEM image; (c) SEM image; (d) SEM image of polycrystalline film, the interpolated photos show the fluorescence emission of nanocrystalline ink, nanocrystalline and polycrystalline films under natural light and ultraviolet lamps, respectively; (e) UV-VIS absorption spectra and (f) photoluminescence spectra of CsPbBr3 nanocrystalline ink, nanocrystalline film and polycrystalline film, NC in the figures represents nanocrystalline.

    图 2  CsPbBr3钙钛矿太阳电池的截面图 (a) 纳晶薄膜; (b) 纳晶团聚结晶; (c), (d) 纳晶薄膜经饱和溶液分别处理15 s和30 s所得的多晶薄膜. 钙钛矿薄膜表面形貌 (e) 纳晶薄膜; (f) 纳晶团聚薄膜; (g), (h) 分别对应图(c), (d)多晶薄膜

    Figure 2.  Cross-sectional SEM images of CsPbBr3 perovskite solar cells: (a) Nanocrystalline; (b) nanocrystalline agglomerative crystals; (c), (d) polycrystalline films obtained by treating nanocrystalline films with saturated solution for 15 s and 30 s, respectively. Morphology of perovskite films: (e) Nanocrystalline film; (f) nanocrystalline agglomerative film; (g), (h) corresponding to panels (c), (d) polycrystalline films, respectively.

    图 3  CsPbBr3钙钛矿太阳能电池的(a) J-V和(b) EQE曲线, 图中NC film表示纳晶薄膜器件, 15 s PC film和30 s PC film分别代表纳晶薄膜经饱和溶液分别处理15 s和30 s所得的多晶薄膜器件

    Figure 3.  (a) J-V curves and (b) EQE curve of CsPbBr3 perovskite solar cells, where NC represents nanocrystalline film, 15 s PC film and 30 s PC film represent devices of polycrystalline film obtained by nanocrystalline film treated with saturated solution for 15 s and 30 s, respectively.

    图 4  (a) CsPbBr3纳晶及经饱和溶液处理15 s和30 s所得多晶薄膜的XRD谱; (b) 薄膜正面照射所得PL光谱(激光激发波长为375 nm); (c) 时间分辨荧光光谱图; (d) 单电子器件的暗态I-V曲线 (内插图单电子器件的结构)

    Figure 4.  (a) XRD patterns of CsPbBr3 nanocrystalline and polycrystalline films obtained by treating it with saturated solution for 15 s and 30 s; (b) PL spectrum obtained by positive irradiation of the films (laser excitation wavelength is 375 nm); (c) time-resolved fluorescence spectrum; (d) dark state I-V curves of single electron device (internal illustration of the structure of single electron device).

    表 1  3种薄膜所制备太阳能电池光伏性能及电学参数

    Table 1.  Photovoltaic properties and electrical parameters of solar cells prepared by three thin films.

    DeviceVOC/VJSC/
    (mA·cm–2)
    FF/%PCE/%Rs
    NC film最大值1.495.6264.15.36261.4
    平均值1.465.6163.85.23
    15 s PC film最大值1.476.3474.26.9271.7
    平均值1.466.3473.56.80
    30 s PC film最大值1.556.9678.18.4365.9
    平均值1.546.9477.98.35
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    表 2  3种薄膜薄膜的时间分辨荧光的拟合参数

    Table 2.  Fitting parameters of time-resolved photoluminescence of three thin films.

    器件类型平均寿命
    τave /ns
    寿命
    τ1 /ns
    权重
    A1
    寿命
    τ2/ ns
    权重
    A2
    FTO/TiO2/NC film14.6019.712619459.73556783
    FTO/TiO2/15 s PC film4.364.368758934.36875893
    FTO/TiO2/30 s PC film2.132.1331129502.133112950
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-08-18
  • 刊出日期:  2024-11-20

低温溶液加工CsPbBr3纳晶薄膜制备钙钛矿太阳电池

    通讯作者: E-mail: zhangxisheng@ycu.edu.cn.; 
  • 1. 运城学院, 山西省智能光电传感应用技术创新中心, 运城 044000
  • 2. 运城学院, 山西省光电信息科学与技术实验室, 运城 044000

摘要: 溶液法制备钙钛矿多晶薄膜过程中, 不仅使用有毒溶剂配置前驱液, 而且热处理仍是诱导钙钛矿晶粒生长的主要途径, 这项工艺会增加能耗, 还阻碍柔性电池的发展. 为消除有毒溶剂的使用和高温处理, 本文通过低温溶液加工CsPbBr3纳晶薄膜获得相应的多晶薄膜, 应用到太阳电池中. 首先热注入法制备CsPbBr3纳米晶墨汁前驱液, 并采用旋涂法制备其纳晶薄膜. 大气环境下, CsPbBr3纳晶薄膜经Pb(SCN)2与NH4Br乙酸甲酯饱和溶液处理制备CsPbBr3多晶薄膜, 将其作为吸收层制备钙钛矿太阳电池, 有效提高了电池的性能, 电池效率达到8.43%. 研究表明, Pb(SCN)2与NH4Br乙酸甲酯(MA)饱和溶液不仅可以使纳晶继续结晶生长, 同时还可以有效地钝化钙钛矿薄膜中的缺陷. 采用该方法制备CsPbBr3多晶薄膜过程中, 既无高温处理, 也无高沸点毒性溶剂的使用, 同时适用于刚性和柔性电池的制备.

English Abstract

    • 无机铯铅钙钛矿材料(CsPbX3, X = Cl, Br, I)在高效太阳电池、光电探测器、LED、激光器等光电子领域具有广阔的应用前景, 其优异性能归功于钙钛矿材料独特的光电特性, 包括高载流子迁移率、弱束缚激子、强吸收系数等[16]. 全无机铯铅卤化CsPbBr3因其对湿度和光照的耐受性强, 合适的带隙, 在室温下具有稳定的正交相结构等优点而受到广泛关注[713]. 尽管功率转换效率(PCE)相对较低, 但CsPbBr3太阳电池可提供高达1.7的高开路电压(VOC), 可作为叠层电池的理想窗口层选择[1416].

      溶液加工的钙钛矿材料因其低成本和易于制造的高性能光伏薄膜而受到广泛关注[1620]. 然而, 用于传统钙钛矿前驱溶液通常包括有毒的极性溶剂, 如氮, 氮-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAc)、氮-甲基–2-吡罗烷酮(NMP)等, 以及其他一些高沸点溶剂, 如二甲基亚砜(DMSO)、丁内酯(GBL)或高浓度的二甲基乙酰胺(DMA)[1720]. 替代或减少这些溶剂的使用成为钙钛矿太阳电池的一个研究方向, 但尚未得到科学的解决. 虽然有少许绿色溶剂被开发出来取代这些有毒溶剂, 但由此制备的器件性能仍然无法与基于DMF前驱体制备的器件相比[21,22]. 除此之外, 溶液法制备钙钛矿多晶薄膜过程中, 热处理仍是诱导钙钛矿晶粒长大的主要途径, 这项工艺步骤不仅会增加能耗, 还阻碍柔性电池的发展. 纯无机钙钛矿纳米晶(NCs)制备过程中, 常用的溶剂包括十八烯(ODE)、油酸(OA)、油胺(OLA)、乙酸甲酯(MA)等, 均为无毒绿色溶剂, 而且基于纳米晶墨汁前驱液, 低温下便可通过旋涂或者刮涂一步法制备成膜, 该方法为大规模制造无机钙钛矿太阳电池提供了新的途径[2325].

      本文基于CsPbBr3纳晶墨汁制备高质量纳晶薄膜, 并在大气环境中, CsPbBr3纳晶薄膜经Pb(SCN)2与NH4Br的乙酸甲酯(MA)饱和溶液处理制备了多晶薄膜, 将其作为钙钛矿太阳能电池中的吸收层, 制备了具有高效率的CsPbBr3太阳电池. 该饱和溶液不仅可以促使纳晶体生长为均匀致密、晶粒尺寸大、缺陷密度低的多晶颗粒, 还可以有效地钝化钙钛矿薄膜的缺陷态密度, 所得钙钛矿太阳能电池的效率达到8.43%的效率. 基于纳晶低温溶液加工制备钙钛矿多晶薄膜, 不用在手套箱中进行, 也无需GBL, DMSO, DMF, DMSO, 氯苯等有毒有机溶剂的使用, 该方法对低成本的尤其是柔性钙钛矿电池的开发和应用具有很好的指导意义.

    • 溴化铅(PbBr2)(纯度99.999%)购于Alfa Aesar公司; 碳酸铯(Cs2CO3), (纯度99.9%)、1-十八烯(ODE)(纯度90%)、油酸(OA)(纯度90%)、油胺 (OAm)(纯度70%)等溶剂均采购于阿拉丁试剂公司; 聚芳胺衍生物 (PTAA), Mw = 30000 g/mol, 采购于上海瀚丰化工科技有限公司. 乙酸甲酯MA(AR)、正辛烷(AR)、无水甲醇(AR)、金丝(Au)(纯度99.99%), 均来自国药集团化学有限公司; FTO玻璃(2.5 cm × 2.5 cm)用1.5% Hellmanex清洗液水溶液、超纯水(三次)和乙醇分别超声清洗10 min, 然后用N2流干燥. 在沉积TiO2之前, 所有衬底进一步用UV-臭氧清洗15 min. 根据之前的报道[22], 通过化学浴沉积在清洁的FTO衬底上涂覆一层致密的TiO2层. 将FTO/ TiO2基底在200 ℃空气中退火40 min待用.

    • CsPbBr3钙钛矿纳晶合成过程为: 将0.8 g碳酸铯和3 mL油酸加入圆底三口烧瓶中, 倒入30 mL十八烯(ODE), 将烧瓶放于加热套, 抽真空30 min去除空气和水后, 通入氩气保护, 在120 ℃条件下加热反应 30 min, 得到透明的Cs+油酸盐混合溶液. 与此同时, 将PbBr2 (0.69 g)和ODE (60 mL)加入另一个三口圆底烧瓶中搅拌, 并将温度升至120 ℃抽真空去除空气和水, 结束后换成氩气保护, 分别加入5 mL OLA和5 mL OA, 再抽真空去空气和水, 当PbBr2完全溶解溶液变透明后, 温度升高至反应温度160 ℃. 最后迅速注入之前合成好的Cs+油酸盐, 反应30 s后, 迅速将反应混合物放在冰浴中冷却, 得到的最终沉淀物即为CsPbBr3纳晶, 产物经乙酸甲酯(MA)去除部分纳晶表面支链后离心清洗, 最终的纳晶溶解在5 mL正辛烷中形成墨汁, 用于旋涂薄膜所用的前驱液, 浓度约50 mg/mL, 产物通过旋蒸的方式得到颗粒物可用于样品表征.

    • 在大气环境中, 首先取60 μL的50 mg/mL CsPbBr3纳晶墨汁前驱液滴到FTO玻璃/TiO2表面, 2500 rad/min转速旋涂30 s, 过程中(旋涂开始5 s后)将300 μL乙酸甲酯滴到薄膜表面, 旋涂停止后, 分别将100 μL Pb(SCN)2乙酸甲酯饱和溶液和100 μL NH4Br乙酸甲酯(MA)饱和溶液滴到薄膜表面, 静置30 s后, 以3000 rad/min再旋涂30 s. 然后重复上述过程5次, 可形成500 nm的薄膜, 氮气吹干后在70 ℃加热台上烘干3 min后, 将配置好的PTAA溶液在钙钛矿表面以5000 rad/min的转速下旋转30 s, 形成大概100 nm厚的薄膜, 放置在干燥器中10 h, 最后, 用掩膜版热蒸发厚度为80 nm的Au作为阳极, 电池面积为0.1 cm2.

      CsPbBr3纳晶墨汁及薄膜的荧光照片采用325 nm紫外灯激发, 频域荧光光谱及时域寿命检测采用脉冲激光器(PicoQuant Fluo Time 300)激发, 波长选用375 nm. X射线衍射仪(D8-Advance, Bruker)和紫外可见分光光度计(JASCO V-570) 分别对样品进行晶相和吸收光谱分析. 采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM, SU-8020, Hitachi), 透射电子显微镜(JEM-2100 JEOLTEM)对薄膜表面形貌进行表征. 太阳能电池的J-V电学特性测试时, 光源采用太阳模拟器(Pharos Technology)稳态模拟器, 辐照强度为100 mW/cm2, 数据源表(Keithley 2400)得到J-V特性曲线. 利用EQE测试系统(QTest Station 2000 ADI)通过与已知入射单色光子-电子转化效率(IPCE)的标准硅探测器进行比较, 得出器件的EQE值, 所用的氙灯光源功率为300 W.

    • 采用X射线衍射(XRD)技术表征热注入法制备的CsPbBr3纳晶粉末的晶相, 如图1(a)所示, 在15.34°, 21.77°, 30.83°, 34.44°, 38.12°和44.03°衍射角附近均出现钙钛矿的(001), (101), (200), (201), (211)和(220)的特征峰[26,27], 与CsPbBr3晶体XRD标准谱比对, 确定CsPbBr3纳晶为立方相钙钛矿结构. 采用透射电子显微镜表征纳米颗粒的形貌及尺寸, 如图1(b)所示, 纳晶呈立方体结构, 颗粒均匀分布, 大小约15 nm. 扫描电子显微镜对CsPbBr3纳晶薄膜表面进行观测, 从图1(c)可以看出, 基于CsPbBr3纳晶墨汁旋涂所得薄膜由纳晶密堆积而成, 薄膜表面平整, 无裂痕, 颗粒大小均匀. CsPbBr3纳晶薄膜经Pb(SCN)2与NH4Br的MA饱和溶液处理后, 如图1(d)所示, 所得薄膜由多晶颗粒密堆积, 晶粒大小在300 nm左右. 热注入法所得CsPbBr3纳晶表面被有机配体饱和, 易分散在辛烷、环己烷等有机溶剂中, 图1(b)内插照片为CsPbBr3纳晶溶于辛烷所形成的墨汁. 如图1(b)(d)内插照片所示, 墨汁样品和薄膜在自然光照射下呈黄棕色, 但在紫外灯激发下都有明显的绿色荧光发射. 采用375 nm脉冲激光分别激发CsPbBr3纳晶墨汁、纳晶及多晶薄膜时, 图1(e)显示三者在530 nm附近均表现出强烈的光致发光效应. 图1(f)吸收谱图显示3种样品在波长范围300—530 nm之间都有强烈的吸收特性. 从图1(e), (f)可以清晰看到, 从纳晶墨汁到纳晶薄膜再到多晶薄膜, 三者的吸收边和荧光峰出现明显的红移现象, 这是由于CsPbBr3晶体颗粒逐渐变大, 带隙逐渐变小, 吸收边也逐渐变宽. CsPbBr3多晶薄膜吸收边在538 nm, 计算可得光学带隙为2.3 eV, 与相应的PL峰对应.

    • 图2(a)(d)为CsPbBr3钙钛矿太阳电池截面图, 其中CsPbBr3纳晶/多晶薄膜(500 nm)、PTAA薄膜(100 nm)、TiO2薄膜(70 nm)、FTO分别作为CsPbBr3钙钛矿太阳电池的吸收层、空穴传输材料、电子传输材料和透明导电层. 如图2所示, 经Pb(SCN)2和NH4Br的乙酸甲酯(MA)饱和溶液处理后, 吸收层从钙钛矿纳晶薄膜演变为较大晶粒多晶薄膜, 最终形成的大晶粒可以垂直贯穿整个薄膜, 有利于光生电荷的分离与传输. 图2(e)(h)分别对应经饱和溶液处理0 s, 5 s, 15 s, 30 s后, CsPbBr3薄膜从纳晶到多晶薄膜表面形貌的演变过程. 饱和溶液处理5 s后, 纳晶薄膜开始团聚, 随着时间加长, CsPbBr3纳晶表面上越来越多的油酸和油胺配体被洗掉, 相邻纳晶表面悬挂键相互作用再次结晶生长, 在此过程中溶液中的Pb2+, Br3+, SCN, $ {\text{NH}}_4^ + $离子也可以饱和部分悬挂键, 最终形成较大的晶体颗粒.

      为了研究饱和溶液处理对CsPbBr3钙钛矿太阳电池光伏性能的影响, 同时验证制备工艺的可重复性, CsPbBr3纳晶薄膜, 饱和溶液处理15 s和30 s所得CsPbBr3多晶薄膜分别作为吸收层制备20个太阳电池器件进行比较, 3种器件光伏性能及电学参数的最大值和平均值在表1列出, 统计分布见补充材料图S1 (online). 结果显示, 3种器件光电转换效率的平均值分别为5.23%, 6.80%和8.35%, 效率的标准偏差分别为0.215, 0.180和0.118, 表明该制备工艺所得器件的重复性较好. 图3(a), (b)分别为3种器件效率最大值所对应的伏安(J-V)特性曲线、EQE图. 图3(a)可见基于CsPbBr3纳晶薄膜制备的太阳电池PCE最大值为5.36%, 开路电压(VOC)为1.49 V, 短路电流密度(JSC) 为5.62 mA/cm2, 填充因子(FF)为64.1%. 虽然相较CsPbBr3多晶薄膜, 纳晶薄膜的带隙较大, 但开路电压却较低, 这是由于纳米晶体表面较多的油酸和油胺配体, 缺陷较多, 致使电池串联电阻较大, 如表1所示, 电阻值为261.4 Ω, 器件中载流子复合严重, 这也导致电池的填充因子较小. 经饱和溶液处理15 s后, 器件的JSC和FF参数均有明显的提升, 效率达到6.92%, 说明纳晶薄膜变为多晶薄膜使得电池的串联电阻变小, 电阻值降低为71.7 Ω, 但由于薄膜的晶界较多, 开路电压降低. 当处理时间增长为30 s时, 纳米晶体生长为均匀致密、晶粒尺寸大、缺陷密度低的多晶颗粒, 大晶粒可以垂直贯穿整个薄膜, 使钙钛矿中产生的载流子可以被有效的分离和收集, 器件的各个参数均有明显的提升, VOC达到1.55 V, 填充因子达到78.%, JSC增大为6.96 mA/cm2, 优化后最终效率高达8.43%. CsPbBr3纳米晶体的表面能大, 在乙酸甲酯处理过程中, 由于纳米晶表面络合剂(稳定剂)油酸和油胺的减少, 就会出现彼此相结合, 然后相互融合以求表面能降低, 从而形成大的颗粒[28]. 当乙酸甲酯的处理时间超出40 s后, 纳米晶体失去表面有机支链的保护, 开始溶解, 溶解产物经旋涂后被清洗掉, 导致薄膜出现空洞和间隙见补充材料图S2 (online). 此外, 薄膜的晶相中出现杂相, 在11.89°衍射角出现了新的衍射峰, 该衍射峰与CsPbBrx(SCN)3–x在此处的衍射峰对应[29], 说明随着处理时间的增长, 更多的SCN取代或者填补了Br离子或者缺陷空位, 导致CsPbBrx(SCN)3–x在此处的衍射峰强度逐渐增大, 见图S3 (online). 可见处理时间对薄膜溶解再结晶及薄膜钝化的决定性作用, 适量的SCN可以起到钝化缺陷的作用. 为了分析Pb(SCN)2和NH4Br的钝化效果, 分别采用二者的乙酸甲酯饱和溶液单独处理CsPbBr3纳晶薄膜30 s, 所得器件的光伏性能与二者共同处理多得器件相比较, 结果见图S4 (online), Pb(SCN)2和NH4Br分别单独钝化所制备器件的最佳效率分别为7.96%和7.24%, 进一步说明SCN较强的钝化作用.

      图3(b)为3种器件EQE曲线和积分所得的电流密度, 积分电流与J-V中短路电流密度JSC结果一致. CsPbBr3纳米薄膜表面缺陷多, 其表面油酸油胺有机支链会阻碍载流子的传导, 器件在300—520 nm范围内EQE值均低于70%. 纳晶器件在短波区300—450 nm波长范围EQE值较长波区低, 主要原因是短波区光子被吸收层吸收后, 一部分转化为电子空穴对, 导出后产生光电流, 还有部分会以光的形式辐射损失. 相较纳米薄膜器件, 多晶薄膜器件的EQE值在300—520 nm波长范围内均有提升明显, 主要是由于薄膜晶界明显变少, 同时由于Pb2+, Br3+, SCN, $ {\text{NH}}_4^ + $离子对晶体缺陷的钝化作用, 使得钙钛矿材料可以产生足够的载流子, 并且可以有效导出. 由于CsPbBr3多晶薄膜器件在短波区光辐射损失较小, 因此EQE值在300—450 nm范围内提升较明显.

    • 为进一步分析上述3种薄膜(纳米晶、经饱和溶液处理的15 s和30 s所得多晶薄膜)吸收层材料提高器件光伏性能的机理, 分别对3种薄膜做了XRD, PL, TRPL, 单电子器件暗态I-V测试. 图4(a)为原始CsPbBr3纳晶薄膜和经饱和溶液处理(15 s和30 s)后的产物的X射线衍射(XRD)图. 与原始CsPbBr3 纳晶膜相比, 处理后样品的XRD衍射峰强度变大、半峰宽减小, 如补充材料图S5内插图(online)所示, 15.34°衍射角对应的(001)晶面特征峰, 纳米薄膜半峰宽为0.44 nm, 15 s和30 s处理所得多晶薄膜半峰宽为分别为0.32 nm和0.29 nm, 说明晶粒尺寸增大, 结晶度提高. 对FTO/TiO2上制备的3种薄膜样品用375 nm激光测试稳态荧光, 结果如图4(b)所示. CsPbBr3多晶薄膜钙钛矿与纳晶薄膜相比, 荧光峰发生了很明显的红移, 荧光有非常明显的猝灭作用, 荧光强度下降90%以上, 说明钙钛矿中产生的载流子在复合发光之前被快速导出. 相应的时间分辨荧光(TRPL)测试结果如图4(c)所示. 利用指数方程进行拟合, 平均复合寿命(τave)采用(1)式计算[30]:

      其中, τi为衰减分量的时间常数, Ai为衰减幅度, 拟合参数列于表2. 从表2可以看出, 与纳米晶样品平均荧光寿命(14.60 ns)相比, 多晶薄膜的τave明显降低, 证实了CsPbBr3多晶钙钛矿的缺陷态密度较小. 经饱和溶液处理15 s和30 s所得的多晶薄膜的τave从4.36 s降低2.13 s, 说明纳晶薄膜经过足够长时间的重新结晶可以使得多晶薄膜颗粒变大, 晶界变少, 同时Pb2+, Br3+, SCN, $ {\text{NH}}_4^ + $离子可以对晶体缺陷的充分钝化反应.

      缺陷严重制约电池性能的提高, 钝化、材料提纯、减少晶界等手段可以降低半导体材料的缺陷. 通过测试3种钙钛矿单电子器件暗态电流-电压 (I-V)特性, 如图4(d)所示, 通过(2)式计算电子缺陷态密度nt[31]:

      式中, e为元电荷电量1.6×10–19 C, L为钙钛矿薄膜的厚度(500 nm), ε0为真空介电常数8.85×10–12 F/m, ε为CsPbBr3的相对介电常数(16.46[32]), nt为缺陷态密度. 偏置电压较低时, IV呈线性关系, 表示器件为欧姆接触, 当偏置电压大于拐点电压时, 该拐点电压为陷阱填充极限电压(VTFL), 陷阱状态被完全填充, 在该陷阱填充区域, 随V增大, I呈非线性快速增长. 3种钙钛矿单电子器件VTFL在暗态I-V图中可直接读出, 结果标注在图4(d)中. 计算得出纳晶薄膜器件电子缺陷态密度为9.3×1014 cm–3, 多晶薄膜的电子缺陷态密度降低到7.1×1014和6.4×1014 cm–3. 在相对湿度50%的环境空气条件下, 测试了最佳器件的长期稳定性, 基于活性层纯无机CsPbBr3钙钛矿材料的高稳定性, 如补充材料图S6 (online)所示, 器件在240 h后仍保持初始PCE的98.53%. 综合以上结果表明, CsPbBr3纳晶薄膜经Pb(SCN)2与NH4Br的MA饱和溶液处理所得的CsPbBr3薄膜, 可以通过重新结晶和钝化降低钙钛矿表面的电子缺陷, 使缺陷态密度减小, 也是器件的光伏性能各个参数均有明显提升的原因.

    • 本文基于CsPbBr3纳晶薄膜, 在大气环境下, 经Pb(SCN)2与NH4Br乙酸甲酯(MA)饱和溶液低温处理制备了CsPbBr3多晶薄膜. 饱和溶液处理后, 纳米晶体生长为均匀致密、晶粒尺寸大、缺陷密度低的多晶颗粒, 同时Pb(SCN)2与NH4Br还可以有效地钝化钙钛矿薄膜中的缺陷, 优化后CsPbBr3太阳电池最终效率达到8.43%. 整个过程中, 既无高温处理, 也无高沸点毒性溶剂的使用, 实验和分析结果表明, 开发的可低温溶液加工的CsPbBr3纳米晶薄膜制备多晶薄膜的方法, 可为制备低成本和高效率的柔性钙钛矿太阳能电池提供指导.

      感谢陕西师范大学材料科学与工程学院冯江山副研究员的讨论.

    参考文献 (32)

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