有机卤化铅钙钛矿材料因优异光电性能推动钙钛矿电池的研究,但该电池存在不稳定性,尤其对水分敏感,影响其商业应用。
TTC层在钙钛矿的晶界上有效地沉积,对晶粒表面和晶界进行了钝化,从而减少了钙钛矿太阳能电池的界面复合,在钙钛矿薄膜上的疏水小分子 TTC 形成了一层防水层,保护钙钛矿免受水分损害。
本文研究了一种有机小分子四十二烷作为平面p-i-n 钙钛矿电池的中间层。通过引入TTC层,实现了高功率转换效率(PCE)和高填充因子(FF),同时TTC层作为一种疏水层,有效保护了钙钛矿膜免受水分损害,提高了电池的长期稳定性,在空气中连续暴露200小时后,仍保持了87%的初始效率。
钙钛矿前驱体的制备
混合:将 MAI、PbI2 和 DMSO 粉末按照 11 的摩尔比例混合在无水 DMF 中。溶解:将上述混合物在室温下搅拌过夜,以确保充分溶解。
过滤:使用 0.22 μm PVDF(聚偏氟乙烯)滤膜对溶液进行过滤,以去除可能存在的不溶性颗粒或杂质。
制备:完成过滤后的钙钛矿前驱体溶液用于下一步的旋涂过程。钙钛矿太阳能电池的制造
用ITO(铟锡氧化物)玻璃基底,首先用洗涤剂清洗,然后依次用去离子水、丙酮和异丙醇冲洗。用氮气吹干后,进行紫外臭氧处理10分钟,以清洁和粗糙化基底表面,增强后续层的附着力。
整个制造过程在室温下、空气中进行,确保了工艺的可扩展性和低成本性。通过精确控制每一层的厚度和质量,以及优化各层之间的界面,可以显著提高钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。钙钛矿太阳能电池性能的评估
钙钛矿太阳能电池的结构及相关材料特性
钙钛矿太阳能电池的层级结构:包括ITO基底、空穴传输层、钙钛矿层、TTC钝化层、C60电子传输层、BCP和Ag电极。
TTC层位于钙钛矿层和C60电子传输层之间,作为钝化材料,有助于减少界面复合并提高电子提取效率。
TTC/C60涂层的钙钛矿薄膜的衍射峰强度显著降低,这可能是由于TTC改善了钙钛矿表面的覆盖率。对不同钝化层的钙钛矿薄膜进行了UV-Vis光谱测量。与原始钙钛矿相比,含有各种钝化层的薄膜显示出类似的吸收行为,表明TTC层对光吸收的影响较小。
结果表明,TTC层的引入有效地改善了钙钛矿表面的覆盖率和晶体质量,同时对光吸收的影响较小,有助于提高电池的性能和稳定性。不同钝化层对钙钛矿表面和电荷复合的影响
钙钛矿太阳能电池表面形貌和电荷动力学
顶视SEM图像:原始钙钛矿的图像显示了钙钛矿的典型表面特征,包括晶粒和晶界。
TTC层沉积在钙钛矿表面,有助于填充晶界和表面缺陷,减少表面粗糙度。C60层同样可以覆盖钙钛矿表面,减少表面粗糙度。TTC和C60的组合涂层进一步改善了表面形貌,提供了更均匀和平滑的表面。
AFM图像:通过比较钙钛矿、TTC/钙钛矿、C60/钙钛矿和C60/TTC/钙钛矿薄膜的AFM图像,可以看出TTC和C60的引入显著降低了表面粗糙度,其中TTC/C60组合涂层效果最佳。
TRPL光谱:原始钙钛矿显示出较长的荧光寿命,表明高质量的钙钛矿薄膜。C60涂层的TRPL寿命显著缩短,表明电子从钙钛矿到C60的快速转移。TTC涂层的TRPL寿命与原始钙钛矿相似,表明TTC的绝缘性质阻止了电子的转移。TTC/C60涂层的TRPL寿命增加,表明TTC层改善了电子的提取和减少了界面复合。
PL光谱:原始钙钛矿具有最强的PL强度,峰位在774 nm;C60涂层的PL强度降低,峰位蓝移至771 nm,表明表面和晶界陷阱态的减少;TTC涂层的PL强度进一步降低,表明TTC层有效地钝化了钙钛矿表面的缺陷态。
TTC和C60的引入不仅改善了钙钛矿薄膜的表面质量,还显著提高了电子提取效率和减少了界面复合,从而提高了钙钛矿太阳能电池的性能。钙钛矿太阳能电池的光伏性能
钙钛矿电池光电性能和稳定性测试结果
随着TTC 厚度增加到1nm 及以上,电池性能显著提升,TTC 厚度为 2nm 时达到最佳,此时Voc略微升高至 1.084V,Jsc提高到 23.07mA/cm²,FF 增加至 79.41%,PCE 达到 20.05% 的高效率。
当 TTC 厚度超过 3nm时,由于电子隧穿困难,电池性能严重下降。这表明 TTC 层的厚度对电池性能有着关键影响,合适厚度的 TTC 层能够有效优化电池的光电转换性能。
在350 - 800nm 波长范围内,TTC 修饰的电池EQE 响应增强。通过 EQE 光谱积分计算得到的电流密度分别为 20.99mA/cm²(对照)和 22.01mA/cm²(TTC),与太阳能interwetten与威廉的赔率体系 器测量得到的Jsc值吻合,说明 TTC 层有助于提高电池对光生载流子的收集效率。
带有 TTC 层的电池滞后现象可忽略不计,而仅含C60的电池存在明显滞后。这说明TTC钝化层能够有效阻塞晶界处的离子迁移通道,减少离子迁移对光电流滞后的影响,从而提高电池的稳定性和重复性。
TTC层的引入显著提高了电池的光电性能,包括提高PCE、减少J-V迟滞、降低暗电流密度和改善电子提取效率。此外,TTC层还有助于提高电池的稳定性和抑制离子迁移。不同涂层的表面润湿性(接触角)测试
电池稳定性曲线和接触角测试
设备稳定性测试
在连续光照下,未添加TTC层的电池效率随时间显著下降。
添加TTC层的电池显示出更好的稳定性,即使在长时间光照后,仍能保持较高的效率。这表明TTC层有效保护了钙钛矿层免受水分和氧气的侵蚀。
接触角测试
接触角分析:通过测量水接触角来评估不同涂层钙钛矿薄膜的表面润湿性。
原始钙钛矿:展示了相对较小的接触角,表明表面亲水性较强。
钙钛矿/C60:C60层的引入略微改善了表面的疏水性,接触角有所增加。
钙钛矿/TTC:TTC层的引入显著提高了表面的疏水性,接触角达到103°,表明TTC层能有效阻止水分的渗透。
钙钛矿/TTC/C60:尽管C60层的加入略微降低了接触角,但仍然保持在91°的较高水平,表明TTC和C60的组合涂层仍然提供了良好的疏水保护。
在稳定性方面,对不同薄膜的接触角测量表明,TTC 薄膜具有高达103°的水接触角,展现出极强的疏水性。这一特性有效阻止了水向钙钛矿内部的渗透,在其表面形成良好的防水层。美能接触角测试仪CAT-S
美能接触角测试仪CAT-S采用光学成像的原理,通过图像轮廓分析方式测量样品表面接触角、润湿性能、表界面张力、表面能、滚动(滑落角)、前进后退角等性能。
- 国内首创接触角前10s缓存回放
- 具有自动滴液功能
动静态接触角、表面能、表界面张力等测量功能
在钙钛矿太阳能电池的研究和开发中,对材料表面特性的精确测量至关重要。美能接触角测试仪CAT-S通过其先进的光学成像原理和图像轮廓分析威廉希尔官方网站 ,我们能够精确测量样品表面的接触角、润湿性能、表界面张力和表面能等关键参数,提供了关于TTC层疏水性能的重要数据,这些数据对于优化电池设计和提高电池稳定性至关重要。
原文出处:Surface Passivation of Perovskite Solar Cells Toward Improved Efciency and Stability
*特别声明:「美能光伏」公众号所发布的原创及转载文章,仅用于学术分享和传递光伏行业相关信息。未经授权,不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本公众号相关权益的行为。内容仅供参考,若有侵权,请及时联系我司进行删除。
-
太阳能电池
+关注
关注
22文章
1177浏览量
69345 -
材料
+关注
关注
3文章
1220浏览量
27271 -
测量
+关注
关注
10文章
4850浏览量
111246
发布评论请先 登录
相关推荐
评论