钙钛矿太阳能电池论文范文赏析——自组装单分子层添加剂提升钙钛矿太阳能电池的性能研究

　　1. 实验部分

　　1.1 实验试剂

　　碘化铅(PbI₂，纯度 99.999%)、溴化铅(PbBr₂，纯度 99.99%)、甲脒氢碘酸盐(FAI，纯度 99.5%)、甲基碘化胺(MAI，纯度 99.5%)、碘化铯(CsI，纯度 99.999%)、[6,6]- 苯基 C₆₁- 丁酸甲酯(PCBM，纯度 99%)、2,9 - 二甲基 - 4,7 - 二苯基 - 1,10 - 菲咯啉(BCP，纯度 99%)、[2-(3,6 - 二甲氧基 - 9H - 咔唑 - 9 - 基) 乙基] 膦酸(MeO-2PACZ，纯度 98%)购买自西安浴光能日光能科技有限公司;二甲基亚砜(DMSO，超干溶剂，纯度 99.9%)、N,N - 二甲基甲酰胺(DMF，超干溶剂，纯度 99.8%)、氯苯(超干溶剂，纯度 99.8%)、乙醇(超干溶剂，纯度 99.5%)、异丙醇(分析纯)购买自百灵威科技有限公司;5,6 - 二氯吡嗪 - 2,3 - 二腈(DCP，纯度 99.85%)购买自上海毕得医药科技股份有限公司;刻蚀的氧化铟锡(ITO)、氧化镍(NiOx，纳米级，纯度 99.999%)购买自辽宁优选新能源科技有限公司;丙酮(分析纯)购买自国药集团化学试剂有限公司;金属银颗粒购买自 Alfa Aesar。

　　1.2 实验仪器

　　原子力显微镜(AFM)采用 Asylum Research 的 Cypher S 原子力显微镜，测试条件为温度 25℃，相对湿度约 55%，测试模式为轻敲模式，扫描范围 3 μm×3 μm。

　　扫描电子显微镜(SEM)采用 HITACHI 的 S-4800 扫描电子显微镜，测试条件为温度 25℃，加速电压 15.0 kV，放大倍数 8×10⁴。

　　X 射线衍射仪(XRD)采用日本理学的 SmartLab-SE X 射线衍射仪，测试条件为温度 25℃，扫描范围 10°~55°。

　　光致发光光谱(PL)和时间分辨光致发光光谱(TRPL)采用 Edinburgh 的 FLS1000 稳态瞬态荧光光谱仪，测试条件为温度 25℃，相对湿度约 40%，稳态测试扫描范围 600~900 nm。

　　X 射线光电子能谱(XPS)采用英国 KRATOS Analytical LTD 的岛津 KRATOS AXIS SUPRA+XPS，测试条件为温度 25℃，样品仓真空度 < 8×10⁻⁷ Pa，使用单色化 Al Kα 源测试。

　　傅里叶变换红外光谱(FTIR)采用赛默飞世尔科技(中国)有限公司的 Nicolet iS20 傅里叶红外光谱仪，测试温度 25℃，相对湿度约 40%。

　　光伏性能测试采用 Newport 太阳光模拟器，测试条件为 AM 1.5 G 100 mW/cm²，环境湿度约 30%，温度约 25℃，测试前需用标准单晶硅电池对太阳光强度进行校正，采用 Kiethley 2420 的电流源计进行电流密度 - 电压(J-V)测试。

　　1.3 实验步骤

　　将刻蚀后的 ITO 玻璃按顺序分别用清洗剂、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗 20 min。将清洗好的 ITO 玻璃用氮气吹干后，紫外臭氧处理 10 min。将 15 mg/mL 的 NiOx 分散液以 2000 r/min 的转速旋涂在 ITO 表面，并在 150℃下退火 10 min。待冷却至室温后，将 MeO-2PACz 或添加了 DCP 的 MeO-2PACz 分子以 4000 r/min 的转速旋涂在 NiOx 上，并在 100℃下退火 10 min。

　　对于钙钛矿活性层，按照 (FA₀.₉₅MA₀.₀₅)₀.₉₅Cs₀.₀₅Pb (I₀.₉₅Br₀.₀₅)₃的比例称量

　　PbI₂、PbBr₂、FAI、MAI、CsI 粉末，溶于 V (DMF):V (DMSO)=4:1 的混合溶剂中，溶液浓度为 1.4 mol/L，搅拌 12 h。前驱体溶液通过 0.22 μm 的滤膜过滤后旋涂于 ITO//NiOx/SAM 薄膜上，先以 1000 r/min 的转速旋涂 5 s，再以 3000 r/min 的转速旋转 40 s，最后 15 s 用 180 μL 的氯苯反溶剂滴于钙钛矿薄膜之上，并在 110℃的温度下退火 15 min。

　　将 20 mg/mL PCBM 的氯苯溶液，以 3000 r/min 的转速旋涂于钙钛矿薄膜上。再将 0.5 mg/mL BCP 的异丙醇溶液，以 6000 r/min 的转速旋涂于 PCBM 薄膜上，并在 80℃下退火 10 min。最后在 2×10⁻⁴ Pa 的真空度下，在 BCP 层上蒸镀厚度为 100 nm 的 Ag 电极，完成整个器件的制备。反式钙钛矿太阳能电池的器件结构为：ITO//NiOx/SAM/ 钙钛矿 / PCBM/BCP/Ag 12。

　　2. 结果与讨论

　　2.1 SAM 添加剂对钙钛矿太阳能电池光伏性能的影响

　　为了研究 SAM 添加剂对钙钛矿太阳能电池光伏性能的影响，制备了基于 MeO-2PACz 与 MeO-2PACz+DCP 的反式钙钛矿太阳能电池。随着 DCP 的添加量由 1% 增加到 5%，器件的光电转换效率先增大后降低，当 DCP 的添加量为 3% 时，器件的效率最佳，PCE 提升到了 24.64% 34。

　　这表明 DCP 添加剂的引入能够有效改善钙钛矿太阳能电池的光伏性能，其原因可能是填充因子的提升较为明显，同时短路电流密度也有一定程度的增加 3。

　　2.2 SAM 添加剂对钙钛矿薄膜的影响

　　傅里叶变换红外吸收光谱测试结果显示，MeO-2PACz 与 DCP 分子之间不存在相互作用，两者的特征振动峰在混合后无明显位移 5。

　　原子力显微镜测试表明，添加 DCP 前后，SAM 薄膜的表面粗糙度分别为 4.38 nm 和 4.34 nm，说明 DCP 的添加不会对 MeO-2PACz 的成膜造成明显影响 6。

　　扫描电子显微镜观察发现，在添加了 DCP 的 SAM 基底上制备的钙钛矿能够形成更大和更致密的晶粒，平均粒径从 270 nm 左右增大到了 320 nm 左右 6。X 射线衍射结果进一步表明，添加 DCP 后，钙钛矿薄膜的 (100) 和 (200) 衍射峰强度增加，结晶性提高 7。

　　2.3 SAM 添加剂对钙钛矿的钝化作用

　　X 射线光电子能谱测试显示，添加 DCP 后，Pb 的 4f₅/₂和 4f₇/₂峰向低结合能方向移动，表明钙钛矿中的 Pb²⁺离子接受了来自 DCP 分子的电子对 8。

　　傅里叶变换红外光谱进一步证实，DCP 分子中的氰基与碘化铅发生了较强的相互作用，氰基的振动峰从 2250 cm⁻¹ 移动到了 2229 cm⁻¹ 8。这说明 DCP 分子能够钝化钙钛矿，减少薄膜中的缺陷，从而有利于器件性能的提升 8。

　　2.4 SAM 添加剂对钙钛矿载流子传输的影响

　　光致发光光谱测试表明，添加 DCP 后的钙钛矿薄膜 PL 峰强度明显减弱，意味着载流子传输更快 9。时间分辨光致发光光谱显示，加入 DCP 添加剂后，载流子的平均寿命从 160.68 ns 降至 136.23 ns，表明 DCP 增强了对钙钛矿薄膜中载流子的提取能力，减少了载流子复合 9。

　　2.5 SAM 添加剂对钙钛矿太阳能电池器件稳定性的影响

　　氮气气氛中放置 1000 h 的稳定性测试结果显示，基于 MeO-2PACz+DCP 的器件仍能保持初始效率的 85% 左右，而基于 MeO-2PACz 的器件效率降低到初始值的 81% 左右，说明 DCP 添加剂提高了器件的稳定性 10。

　　3. 结论

　　本研究通过向 SAM 分子中引入 DCP 添加剂，利用 DCP 分子上的氰基与钙钛矿作用，有效钝化了钙钛矿，增强了载流子的传输，优化了 SAM 与钙钛矿之间的埋底界面，改善了钙钛矿薄膜的结晶并得到了更致密的钙钛矿薄膜 11。

　　最终，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从 23.58% 提升到了 24.64%，器件的稳定性能也得到改善。该方法为优化 SAM 与钙钛矿之间的埋底界面、制备高性能的反式钙钛矿太阳能电池提供了参考 11。