鈣鈦礦太陽能電池中雙層結構的高效穩定電子層傳輸層

長期穩定性問題是鈣鈦礦太陽能電池走向實用化必須解決的問題，而研究也已經表明界面層對器件的性能和穩定性均有至關重要的影響。無機氧化物材料化學性質穩定，而且導電性能級可調、價格十分低廉，作為界面材料十分有競爭力。但難點在於如何在脆弱的鈣鈦礦薄膜上方製備高質量的無機氧化物界面層。常見的有機金屬鹵化物鈣鈦礦材料在一定的溫度（如100-150℃）或者高能離子轟擊（如磁控濺射中的等離子體）下容易發生分解，這限制了在鈣鈦礦薄膜表面用常規方法製備無機氧化物界面薄膜。

最近，華中科技大學武漢光電國家實驗室的陳煒教授團隊發明了一種基於單分散氧化物納米顆粒表面改性方法，改性後的納米顆粒在極性和非極性溶劑里均可實現良好分散，可以在低溫下十分方便地在鈣鈦礦薄膜的上方形成高質量的界面薄膜。高分散的CeOx納米墨水有利於形成完整覆蓋的無機界面層，與PCBM一起應用於鈣鈦礦太陽能電池時起到了良好的化學屏蔽作用：(1)有效屏蔽外界濕氣滲透破壞鈣鈦礦材料，(2)避免鈣鈦礦在工作時的分解溢出物對金屬電極進行腐蝕。在這雙重保護作用下，鈣鈦礦太陽能電池的工作穩定性得到了大幅提升。製備的電池初始效率最高可達18.6%，在30%RH濕度下暗態保存30天，性能幾乎無衰減。將同批次電池在N2氣氛手套箱或30%RH的空氣氣氛中進行連續200小時的光照老化，對電池的最大功率點進行追蹤檢測，實驗表明電池效率幾乎無衰減。該文章發表在國際頂級期刊（知名期刊）ACS Nano上（影響因子：13.9）。

圖1. (a)單分散CeOx納米顆粒的TEM圖像；(b)CeOx的高分辨TEM原子像；(c)CeOx改性路徑圖；(d)改性前後的CeOx在極性甲醇和非極性氯苯溶液中的分散性。

油酸包裹的氧化物納米顆粒在非極性溶劑中一般具有良好的分散性，通過旋塗法可以形成高質量的薄膜，但是長烷基鏈油酸的存在導致該薄膜導電性很差。我們將長鏈的油酸替換為短鏈的乙醯丙酮，希望既能夠保證納米顆粒在溶劑中的分散性又能保證最終薄膜的導電性，改性路徑如圖1（c）所示。通過圖1（d）可以看看出，無修飾的CeOx在甲醇和氯苯中很快沉降，而修飾後CeOx可以在甲醇和氯苯中良好分散。

圖2. SEM電鏡圖像 (a)修飾後的CeOx直接製備於ITO玻璃上；(b)修飾後的CeOx直接製備於鈣鈦礦層上；(c)未修飾的CeOx直接製備於鈣鈦礦層上；(d)鈣鈦礦薄膜；(e)鈣鈦礦層上完整覆蓋PCBM/CeOx雙層膜；(f)對應(e)的原子力顯微鏡圖像。

圖3. 泡水試驗：直接將不同結構的薄膜同時浸入水中，觀察其顏色變化。A：鈣鈦礦；B鈣鈦礦/PCBM；C鈣鈦礦/PCBM/BCP；D鈣鈦礦/PCBM/CeOx

如圖2所示，表面改性後的CeOx可以得到完整覆蓋的氧化物薄膜，其薄膜質量明顯優於未修飾的CeOx。將改性後的CeOx與PCBM一起製備於鈣鈦礦薄膜的上層，對鈣鈦礦薄膜具有特殊的保護作用。對比研究表明，PCBM具有疏水性，但單獨PCBM無法完成有效的阻水，通過PCBM/BCP或PCBM/CeOx雙層膜結構可顯著增強其阻水能力。同時由於CeOx的電學性質優於BCP，CeOx可以製備得更厚，從而完成最佳的阻水效果。

圖4.不同結構的電池在(a)N2手套箱和(b)30%RH濕度的空氣中下進行連續光照老化測試

如圖4所示，對應的器件在不同條件下的老化測試結果表明，PCBM/CeOx這一雙層結構無論在電荷傳輸性、還是在化學屏蔽性方面，均具有十分優秀的特性，可保證高效器件的長期工作穩定性。

圖5. 不同結構下，老化前後的成分分布。特別是I離子的溢出和Ag離子的滲透。

通過對器件進行SIMS測試分析器件老化前後元素分布的變化。由圖5可以看出，PCBM/BCP作為電子傳輸層的器件老化後，I離子大量溢出，而Ag則滲入鈣鈦礦中，而這正是導致器件性能衰減的原因。雙層結構的PCBM/CeOx電子傳輸層，可有效抑制這一負面作用，最終使得器件穩定性得到有效提升。

材料製備

CeOx合成：Ce(NO3)3·6H2O (0.16 g)，叔丁胺(0.15 mL)，油酸(1.5 mL)，溶解於70mL的甲苯/水混合液中(體積比 1:1)，放入100mL的水熱反應釜中180℃反應24小時。通過乙醇清洗，高速離心得到油酸包裹的CeOx。CeOx表面改性：利用四丁基氫氧氣化銨溶液洗去CeOx表面吸附的油酸，再將CeOx放入乙醯丙酮中進行充分攪拌，然後超聲30分鐘，最後通過低溫旋蒸的方法去除過量的乙醯丙酮即可得到乙醯丙酮表面改性的CeOx，該材料可以在甲醇和氯苯中良好分散。

參考文獻

Rui Fang, Shaohang Wu,Weitao Chen, Zonghao Liu, Shasha Zhang, Rui Chen, Youfeng Yue, Linlong Deng,Yi-Bing Cheng, Liyuan Han, Wei Chen*, [6,6]-Phenyl-C61-Butyric Acid Methyl Ester/Cerium Oxide Bilayer Structure as Efficient and Stable Electron Transport Layer for Inverted Perovskite Solar Cells,ACS Nano, 2018,DOI: 10.1021/acsnano.7b07754.

能源學人將一如既往地歡迎讀者踴躍投稿！

聲明：

1.本文主要參考以上所列文獻，文字、圖片和視頻僅用於對文獻作者工作的介紹、評論，不得作為任何商業用途。

2.本文版權歸能源學人工作室所有，歡迎轉載，但不得刪除文章中一切內容！

3.因學識所限，難免有所錯誤和疏漏，懇請批評指正。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！