「小材科研」稀土离子掺杂自组装SnO2介孔电子传输层无迟滞高效钙钛矿太阳能电池

2020-03-07

有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)作为新一代薄膜光伏发电技术，以其高效、环保、易处理等优点受到广泛关注。自2009年第一个样机诞生以来，在过去的几年里， PSCs的功率转换效率(PCE)经历了从3.8%到23.48%(认证)的快速增长。这一突出的进展归功于研究人员在优化钙钛矿化学成分和沉积过程方面的不懈努力，以及钙钛矿优异的能带隙可调性和较长的载流子寿命等光电性能。有趣的是，钙钛矿太阳能电池的出现源于染料敏化太阳能电池(DSSCs) 。反过来，钙钛矿太阳能电池的发展促进了DSSCs的研究，特别是在聚合物电解质和柔性器件方面的研究。

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氧化锡(SnO2)作为钙钛矿太阳能电池(PSCs)中代替二氧化钛(TiO2)的电子传输材料，引起了广泛的兴趣。然而，基于SnO2的PSCs的性能仍然难以与基于tio2的PSCs竞争。在此，华侨大学材料学院环境友好功能材料教育部工程研究中心吴季怀课题组设计了一种新的策略，通过将稀土离子Ln3+(Sc3+ ， Y3+ ， La3+)与SnO2纳米球作为介孔支架相结合，来提高PSCs的光伏性能和长期稳定性。 Ln的掺杂促进了致密大尺寸钙钛矿晶体的形成，促进了电子输运层/钙钛矿层的界面接触，改善了电荷的输运动力学。 Ln掺杂优化了钙钛矿层的能级，降低了电荷传输电阻，降低了陷阱态密度。结果表明，优化后的介孔PSC获得了20.63%的冠军功率转换效率(PCE) ，而未掺杂的PSC获得了19.01%的效率。并研究表明，稀土掺杂是提高sno2基PSCs光伏性能的一种低成本、有效的方法。该研究成果以“High-PerformanceandHysteresis-FreePerovskiteSolarCellsBasedonRare-Earth-DopedSnO2MesoporousScaffold（基于稀土离子掺杂自组装SnO2介孔电子传输层的无迟滞高效率钙钛矿太阳能电池， DOI:10.34133/2019/4049793）”为题发表在国际著名期刊Research上。

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本文在300℃后处理条件下合成了具有较大表面积的单分散介孔氧化锡纳米球，并将其作为PSCs的介孔支架，在不破坏SnO2阻挡层表面形貌的前提下，用较大的钙钛矿颗粒改变钙钛矿覆盖条件，从而改善器件的光伏性能。此外，在SnO2介孔支架中引入(Sc3+、Y3+、La3+)的稀土阳离子，以降低捕集态密度和输运阻力，提高载流子浓度，调节SnO2的能级，从而提高器件的光伏参数。通过优化Ln3+掺杂量， 3%snoy器件的无滞后高稳定功率转换效率为20.63% ，优于之前报道的全SnO2介孔结构PSCs 。此外，还研究了紫外稳定性，以说明这些完全基于sno2的PSCs具有良好的长期稳定性。

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综上，通过液相法成功合成了掺杂稀土的单分散SnO2纳米球，其比表面积为130.0m2g?1 。将掺杂的SnO2纳米球作为支架材料，制备介孔钙钛矿太阳能电池。通过形貌、微观结构表征、能带分析、光电性能研究、光伏性能测量等方面的观察表明，稀土Ln离子的掺杂促进了致密、均匀、大的钙钛矿晶体的形成，有利于电子传输层/钙钛矿层的界面接触。另一方面， Ln掺杂优化了电子传递层的能级，降低了电阻和电荷陷阱态，实现了高效的电子传递和电荷提取。因此， Y3+(3%)掺杂的介孔氧化锡基PSC在无滞后的情况下获得了20.63%的冠军效率，而planar和介孔氧化锡基PSCs分别获得了17.21%和19.01%的效率。本研究为开发高效、低成本的完全基于sno2的PSCs提供了一种新的策略。
文章链接：
【「小材科研」稀土离子掺杂自组装SnO2介孔电子传输层无迟滞高效钙钛矿太阳能电池】https://spj.sciencemag.org/research/2019/4049793

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