多层SnO?结构对三阳离子钙钛矿太阳能电池中电荷传输和光学性质的影响

钙钛矿太阳能电池中锡氧化物电子传输层不同层结构对性能的影响研究。通过制备1A1C、1A2C和2A1C三种SnO? ETL结构，发现1A2C配置使PCE提升至15.33%（Voc=1.04V，Jsc=15.46mA/cm2，FF=71.50%），优于其他结构。机理包括优化电荷传输层、减少界面复合及提升材料稳定性。

　　

Nur Farah Hanun Wira|Kai Jeat Hong|Chi Chin Yap|Kok-Keong Chong|Josephine Ying Chyi Liew|Hock Beng Lee|Jae-Wook Kang|Mohammad Hafizuddin Hj Jumali|Mohd Hafiz Mohd Zaid|Sin Tee Tan

马来西亚博特拉大学物理系，43400，雪兰莪州Serdang

摘要

三价阳离子卤化物钙钛矿由于其优异的光电性能，已成为钙钛矿太阳能电池（PSCs）极具前景的吸收材料。然而，诸如器件不稳定性和电流-电压滞后等挑战仍然存在，这些问题通常源于富含羟基的电子传输层（ETLs），例如ZnO和TiO₂。在本研究中，我们设计并集成了不同层结构的SnO₂基ETLs到平面PSCs（FTO/SnO₂/钙钛矿/Spiro-OMeTAD/Ag）中，以缓解这些限制。研究了三种ETL配置：一种是包含一层非晶SnO₂和一层晶态SnO₂的参考双层结构（1A1C），一种是单层非晶SnO₂与双层晶态SnO₂的组合（1A2C），另一种是双层非晶SnO₂与单层晶态SnO₂的组合（2A1C）。综合的结构、光学和光伏分析表明，1A2C配置的性能最佳，实现了15.33%的功率转换效率（PCE）（V_OC = 1.04 V, J_SC = 15.46 mA cm^-2，FF = 71.50%），而1A1C配置的PCE仅为12.16%。1A2C配置的优异效率归因于优化的ETL结构，该结构改善了电荷传输层性能并抑制了ETL/钙钛矿界面的载流子复合。这项研究展示了一种简单而有效的途径来提高PSC的效率和稳定性，为钙钛矿器件工程的发展提供了宝贵的见解。

引言

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其卓越的光电性能和迅速提升的效率，已成为下一代光伏技术中最有前景的候选者之一。功率转换效率（PCE）的显著进步主要归功于钙钛矿吸收材料的优异光电特性，包括宽吸收光谱、高效的电荷分离和长的载流子寿命。迄今为止，美国国家可再生能源实验室（NREL）报告的认证PCE已达26.7% [1]。除了效率之外，PSCs还具备成本效益高、制备工艺简单和机械柔韧性强的优势 [2], [3], [4]。

传统的PSC通常由五层功能层组成，实现了材料的多样化集成 [5]。底部电极通常是透明导电氧化物（TCO），如氟掺杂的氧化锡（FTO）或氧化铟锡（ITO），上面覆盖着作为电子传输层（ETL）的致密SnO₂薄膜。在其上方沉积钙钛矿吸收层，接着是空穴传输层（HTL），最常用的是spiro-OMeTAD，最后是金属顶部电极，如银（Ag）。PSC的性能、稳定性和滞后性受到ETL和HTL界面特性的强烈影响，这突显了界面工程在高性能器件设计中的核心作用 [6], [7]。

尽管取得了显著进展，PSCs在长期运行稳定性方面仍面临挑战，这些问题往往源于ETL/钙钛矿界面的退化过程。ETL在选择性提取电子的同时抑制载流子复合方面起着双重作用，从而直接影响电荷动态和器件耐久性。二氧化钛（TiO₂被广泛用作高效PSC中的ETL；然而，其低电子迁移率、光催化活性和紫外线（UV）诱导的退化限制了器件的稳定性 [8], [9]。氧化锌（ZnO）也因其高电子迁移率和低温加工性而被研究作为ETL材料；然而，其强表面碱性和大量的羟基基团可能会与钙钛矿层发生化学反应，导致器件快速退化 [10]。因此，ZnO/钙钛矿界面的固有不稳定性限制了其在稳定PSC中的实际应用。作为替代品，氧化锡（SnO₂因其高电子迁移率、有利的导带对齐和良好的化学稳定性而受到关注 [11]。然而，SnO₂薄膜中的固有缺陷（如氧空位和不稳定的悬挂键）会捕获载流子，引发非辐射复合，并从环境中吸附氧气或羟基物种，从而降低导电性并阻碍电子传输 [12]。因此，解决这些缺陷状态对于提高ETL功能和整体PSC性能至关重要。

本研究探讨了不同层结构的双层SnO₂ ETL薄膜对PSC光伏特性的影响。研究了三种配置：(i) 一层非晶SnO₂和一层晶态SnO₂的参考双层结构（1A1C），(ii) 一层非晶SnO₂与两层晶态SnO₂的组合（1A2C），以及(iii) 两层非晶SnO₂与一层晶态SnO₂的组合（2A1C）。比较分析显示，1A2C结构具有最理想的界面特性，表现为缺陷密度降低、电荷收集增强和复合抑制。因此，1A2C配置的PCE达到了15.33%，优于1A1C（12.16%）和2A1C（12.00%）配置的器件。这些发现表明，控制SnO₂ ETL的非晶-晶态层堆叠结构是一种可行的策略，可以提高器件效率和稳定性，为进一步发展室温处理的PSCs提供了宝贵见解。

材料/方法

实验中使用的材料未经额外纯化：二水合氯化锡（SnCl₂·2H₂O，98%，Sigma-Aldrich，CAS 10025-69-1），碘化铅（PbI₂，99.99%，TCI Chemicals，CAS 10101-63-0），碘化甲胺（FAI，西安聚合物光技术有限公司，CAS 879643-71-7），溴化铅（PbBr₂，>98%，TCI Chemicals，CAS 10031-22-8），溴化甲基铵（MABr，西安聚合物光技术有限公司，CAS 6876-37-5），碘化铯（CsI，99.99%）

结果与讨论

通过X射线衍射（XRD）测量了不同层结构的双层SnO₂基ETLs的结构特征，如图3a所示。所有样品在2θ ～ 14.1°处显示出主导的衍射峰，证实形成了四方α-black相的钙钛矿（(110)晶面）。此外，在20°、24.5°、28.8°、32.0°、40.5°和43.1°处还观察到了对应于α-black相的其他衍射峰，分别对应于(012)、(003)、(220)、(310)、(224)和(314)晶面

结论

总之，通过设计不同层结构的SnO₂基ETLs，可以有效提高三价阳离子钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。1A2C配置的钙钛矿薄膜质量更优，实现了更高的光子吸收和高效的电荷传输，其EQE约为80%。这种ETL结构促进了电荷提取并抑制了界面复合，从而提高了器件性能

CRediT作者贡献声明

Kok-Keong Chong：验证、资源准备。Josephine Ying Chyi Liew：资源准备、概念构思。Chi Chin Yap：写作——审稿与编辑、资源准备。Mohammad Hafizuddin Hj Jumali：验证、资源准备。Mohd Hafiz Mohd Zaid：监督、资金获取、数据管理。Hock Beng Lee：项目管理、方法论、概念构思。Jae-Wook Kang：项目管理、概念构思。Nur Farah Hanun Wira：写作——初稿撰写、方法论、数据分析。Kai Jeat Hong：

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本项工作得到了马来西亚高等教育部基础研究基金（FRGS/1/2019/STG07/UPM/02/5）的资助。我们还要感谢Tin Industry（研发）委员会在TBRG研究基金2022（6300390-10501）项目以及马来西亚博特拉大学在Geran Putra（GP/2023/9753200）项目中的财政支持。