Joule：電荷傳輸層對鈣鈦礦太陽電池開路電壓和磁滯的影響

【 成果簡介 】

儘管鈣鈦礦太陽電池在器件性能方面有了顯著的進步，但控制鈣鈦礦光伏器件高開路電位和短路電流的運行機制仍不清楚。通過設想電荷載流子的傳輸來自內置電場的裝置模型，早期的研究認為電荷收集的限制導致了這種動態遲滯現象。儘管如此，從材料製備的最新進展中我們發現了不同的情況，因為效率好的鈣鈦礦太陽電池具有優良的運輸和收集性能，在掃描過程中光電流幾乎沒有變化。因此，研究電荷傳輸層對鈣鈦礦太陽電池開路電壓和磁滯的影響是非常有意義的。

近日，瑞士GMF,Institute of Chemical Sciences and Engineering的Mohammad Khaja Nazeeruddin教授、西班牙Institute of Advanced Materials (INAM)的Juan Bisquert教授和瑞士GMF, Institute of Chemical Sciences and Engineering的Cristina Roldán-Carmona教授（共同通訊作者）在Joule上發表最新研究成果「Influence of Charge Transport Layers on Open-Circuit Voltage and Hysteresis in Perovskite Solar Cells」。在該文中，作者針對鈣鈦礦太陽能電池運行機制中電荷傳輸層和開路電位之間的相互作用做出了直接定位。實驗結果表明，開路電位是由准費米能級的分裂和鈣鈦礦內部的複合所控制的，而不是由電荷傳輸層的功函數差所確定的任何內部電場所控制。此外，作者還提供了鈣鈦礦型太陽能電池遲滯起源的新見解，將接觸性質確定為決定其界面電荷積累的一個關鍵因素，從而導致離子、電子或混合離子電子積累。

【 圖文解讀 】

想要研究電荷傳輸層對鈣鈦礦太陽電池開路電壓和磁滯效應的影響，就必須首先排除不同的電荷傳輸層對鈣鈦礦層的影響。這是因為如果不同的電荷傳輸層會影響鈣鈦礦層的物理化學性質。那麼，即使得出了實驗結果，作者也無法確定實驗結果的原因。在此考慮下，作者首先研究了不同電荷傳輸層存在下，鈣鈦礦層的光吸收性質就、形貌和晶體結構。幸運的是，如圖1所示，在本研究中，不同的電荷傳輸層對鈣鈦礦層的生長沒有顯示中明顯的差異性。所以，如果實驗結果得出了一些結論，那必然就是電荷傳輸層的差異性導致的。

圖1 鈣鈦礦結構太陽能電池的結構、薄膜特性和光伏性能

（a）鈣鈦礦太陽電池的結構示意圖

（b）不同器件的SEM的截面圖

（c）不同鈣鈦礦薄膜的形貌和光學性質

（d）相應的鈣鈦礦薄膜的XRD衍射圖譜

緊接著，作者研究了使用不同電荷傳輸層製備的鈣鈦礦太陽電池的光伏性質如圖2所示。分析數據可知：電荷傳輸層的差異對太陽電池的填充因子有明顯的影響，二對其它光伏參數的影響不大。

圖2 鈣鈦礦太陽電池的性能表徵

（a）太陽電池的J-V曲線圖

（b）太陽電池的EQE圖

（c）太陽電池效率、填充因子和電流密度統計圖

（d）太陽電池開路電位和功函數的統計圖

為了深入了解接觸點的電子行為，作者通過阻抗譜研究了這些器件的遲滯特性和電容性質。圖3a顯示了三個體系下，不同掃描速度的J-V曲線。在所有情況下，當掃描速度增大時，滯後環變大。這通常發生在電容放電的情況下。在C-TiO2情況下，這種影響尤為明顯。但是，在m-TiO2情況下，這種影響最小。這些實驗結果表明介孔材料是降低整體器件滯後效應的主要因素。然而，在移除C-TiO2層之後，遲滯效應又降低了。又是除了非常快速掃描減少。

圖3b是在不同的應用電壓下，器件的電容隨頻率的變化。從圖中可以看出：從低頻到高頻的變化過程中，器件的電容值增加了近兩個數量級。作者把這個現象歸因於離子的聚集層和界面處的電子載流體。 對於沒有電子傳輸層的器件，它並不會顯現處負電容趨勢。但是在低頻處，它的電容隨電壓呈指數型變化。因此作者得出結論，在較低和非常高的電壓下，三種不同電荷傳輸層構成的鈣鈦礦太陽電池顯現相同的趨勢。但在中間電壓和較大的頻率範圍內，太陽電池的變化表明了在電荷聚集中一個動態的改性。這一觀察結果與先前觀察到的不同的動態滯後響應有很好的相關性。

圖3 器件的滯後現象和阻抗分析

（a）電池的J-V掃描曲線

（b）在黑暗條件下得到的電容的絕對真實值

（c）低頻率電容和應用電壓的變化關係圖

為了研究在鈣鈦礦和電子傳輸層處的作用，作者用瞬態吸收光譜研究了動態的光學性質，如圖4所示。在三個不同的器件中，作者固定了激發密度常數，這就確保了相似的載流子密度。如圖a-c所示，在760 nm處，出現了一個負帶的峰，這是光漂白現象。光漂白信號與電荷的密度成正比，並且它的動力學變化表明了電荷動力學。光漂白帶的降低隨時間的變化如圖d所示。它表明了一個在100 ns範圍內發生了快速的衰減，而後變化非常小。

圖4 動態光學研究

（a）FTO/perovskite界面瞬態吸收光譜的變化

（b）meso-TiO2/perovskite界面瞬態吸收光譜的變化

（c）600 nm入射光脈衝激發的瞬態吸收光譜的變化

（d）器件在760 nm處的動力學

【 小結 】

雖然人們普遍認為，對光伏的作用的選擇性接觸是通過控制內置的電壓來實現的。但是，本文中，作者表明，這是取決於鈣鈦礦材料中費米能級的內部重組和劈裂。對於光生載流子來說，電場並不是佔主導地位的電荷提取機制。在金屬氧化物/鈣鈦礦界面的基礎上，不同的電子接觸可以體現出相似的電子行為。此外，接觸的性質可以極大地影響界面電荷積聚的動態響應。

【 文獻信息 】

Influence of Charge Transport Layers on Open-Circuit Voltage and Hysteresis in Perovskite Solar Cells（2018，DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.02.013）

供稿丨深圳市清新電源研究院

部門丨媒體信息中心科技情報部

撰稿人丨雲捲雲舒

主編丨張哲旭

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