浙工大材料学院潘军教授团队Nano Energy综述:钙钛矿太阳能电池无机电子传输层优化策略的最新进展
发布日期:2022-11-01 09:13:26

01  全文速览 /

无机电子传输材料因其物理化学稳定性高、制备工艺简单、光伏性能优异以及成本低廉等优势,成为构建高效、稳定的钙钛矿太阳能电池的核心材料之一。然而,此类材料载流子输运能力限制、高缺陷态密度及其与钙钛矿层的能级不匹配等问题极大影响了器件的性能与稳定性。基于此,学院潘军教授团队在Nano Energy期刊发表了题为“Recent progress in improving strategies of inorganic electron transport layers for perovskite solar cells”的综述。综述总结了钙钛矿太阳能电池无机电子传输层的最新研究进展,详细阐述了当前无机电子传输层的优化策略,分析了常用改性策略的优势与不足,并对未来以实现钙钛矿太阳能电池商业化为目标的研究方向提出了展望。

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02  研究背景 /

十余年来,钙钛矿太阳能电池获得了迅猛发展,成为继硅基太阳能电池之后最有潜力的光伏技术,单节钙钛矿太阳能电池认证转换效率已经达到25.7%。其中,无机电子传输层因其物化稳定性高、制备工艺简单、光电性能优异、成本低等优势,被认为是构筑高效稳定的钙钛矿太阳电池最有潜力的电子传输材料。然而,无机电子传输层也存在一系列问题,其与空穴传输层对载流子传输能力的差异会导致器件存在严重的J-V迟滞效应;其界面存在高密度的缺陷或化学残留物会导致钙钛矿吸光材料的分解;其与钙钛矿层存在的能级不匹配也会降低器件效率。因此,对无机电子传输层进行体相或界面改性对于提升器件的效率和稳定性显得尤其重要。


03  本文亮点 /

1)详细讨论了当前无机电子传输层存在的缺陷
2)系统综述了基于无机电子传输层改进策略的最新进展。
3)指出了无机电子传输层改进策略中存在的不足之处


04  图文解析 /

1.  无机电子传输层的不足

作者们总结了钙钛矿晶体与器件结构,整理了用于相关器件的一系列无机电子传输材料的能级结构(如图1)。相对于有机电子传输层而言,无机电子传输层由于其物化性质更稳定,备受科研界和产业界的青睐。当前应用最广泛的无机电子传输材料有TiO2、SnO2以及ZnO。TiO2最初源于染料敏化太阳能电池,典型的致密TiO2层配以介孔TiO2支架被证明是最有效的结构之一。然而TiO2电子传输层不但具有光催化活性,而且需要高温烧结,并且基于TiO2的器件通常具有较大的J-V迟滞作为TiO2最有力的替代品,SnO2电子传输层无光催化活性,可低温加工,且基于其制备的器件实现了25.7%的光电转换效率,这使得它成为最具研究前景的无机电子传输层之一。但SnO2依然有它的劣势所在,它与钙钛矿吸光层的晶格失配会导致大量载流子聚集和复合,同时SnO2与钙钛矿的界面附着力也低于介孔TiO2基的器件。ZnO也是广泛应用的无机电子传输层之一。尽管它的电子迁移率远高于TiO2,但基于ZnO的钙钛矿太阳能电池在效率和稳定性上远远落后于前面两种器件,其主要原因在于ZnO具有一个碱性的表面,这会导致其与MAPbI3发生质子转移反应从而分解MAPbI3。此外,液相制备的ZnO表面会存在很多化学残留,也严重损害了器件的稳定性

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Figure 1. (a) Typical structure of ABX3 perovskite materials. The PSCs based on (b) regular mesoporous, (c) regular planar, (d) inverted planar, (e) ETL-free, and (f) HTL-free structures. (g) The energy levels of various inorganic ETLs. Reproduced with permission.


2.  优化措施

基于上述电子传输层的劣势,作者们综述了当前电子传输层的优化策略,包括体相改性、界面修饰以及电子传输层的组合策略。其中,以下几个方面将被重点介绍。


2.1. 元素掺杂

2.1.1. 氧空位有利还是有害?

在对无机电子传输层进行元素掺杂时,大量文献报道了减少无机电子传输层的氧空位会提高电子导电性,这是由于氧空位会充当电子陷阱。然而,氧空位同时也会充当电子浅供体从而提高电子导电。因此,正确认识氧空位在无机电子传输层的作用显得十分有必要。

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Figure 2. (a) J-V curves of Zr4+-doped compact TiO2 in forward scan and reverse scan direction. (b) Energy levels diagram of SnO2 ETLs with and without Zr4+ doping. (c) Energy levels diagram of PSCs based on Sn4+-doped TiO2. Reproduced with permission. (d) J-V curves of Nb5+-doped SnO2 in forward scan and reverse scan direction. Reproduced with permission. (e) Energy band diagram of the PSCs based on SnO2 and Sb3+-doped SnO2. (f) Valence band spectra of the ETL films with and without the Mg2+ doping. Reproduced with permission. (g) Diagrammatic sketch for self-doping, charge recombination and transport influenced by Mg. (h) Energy level alignment of SnO2 with and without Mg. Reproduced with permission.


2.1.2. 电子传输层掺杂只对电子传输层起作用吗?

利用碱金属阳离子掺杂电子传输层时,这些碱金属元素不仅会改变电子传输层的性能,还会扩散到电子传输层/钙钛矿界面以及钙钛矿层内部,致使钙钛矿层也会一定程度被掺杂,从而提升钙钛矿的结晶性以及增大其晶粒尺寸。此外,掺杂金属阳离子时还应考虑伴随的阴离子对电子传输层的影响。

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Figure 3. (a) ToF-SIMS depth profile of the perovskite/Li+-doped SnO2/FTO/glass. (b) Schematic illustration of Li+ ions diffusion. Reproduced with permission. (c) Schematic diagram of passivation between CsPbBr3 and the SnO2-MCl ETL. (d) Band alignment diagram of the PSC with SnO2 and SnO2-MCl ETLs. (e) Schematic diagram of PSCs with various Li-salt-doped mp-TiO2. (f) Energy band diagram for pristine mp-TiO2 and various Li-salt-doped mp-TiO2. Reproduced with permission.


2.2. 界面修饰

2.2.1. 界面应力释放助力高稳定性器件

界面修饰策略除了能调整电子传输层的界面能级结构、钝化界面缺陷外,选用合适的修饰材料还可以释放界面应力,从而极大提高钙钛矿太阳能电池的稳定性。此外,不同于WS2等与钙钛矿和电子传输层弱连接的材料,硅烷自组装分子不仅能充当钙钛矿吸光层的“枕头”,还可以极大地提升界面附着力。

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Figure 4. (a) Schematic illustration of the formation of CuI islands on TiO2 compact layer and the energy band structure of CuI@TiO2. (b) Schematic illustration of residual stress distribution in perovskite layer before and after WS2 modification. (c) CsPbBr3 (110) plane as a function of incidence angle. (d) Schematic illustration of residual stress distribution in perovskite layer before and after KPF6 modification. (e) Rb0.05(FA0.95MA0.05)0.95PbI2.85Br0.15 (211) plane as a function of incidence angle. Reproduced with permission.

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Figure 5. (a) Schematic of fabrication process for TiO2 and PASCA-Br layers. (b) Protonated amino terminals (R-NH3Br) modified interface. (c) Schematic illustration of the I-SAM between SnO2 and perovskite. (d) Schematic illustration of the modified interface by MBA, DMBA, or TMBA. (e) Corresponding energy band diagram of each layer. Reproduced with permission.


2.2.1. 富勒烯及其衍生物的物理吸附还是化学吸附更胜一筹?

尽管物理吸附在无机电子传输层上的富勒烯及其衍生物能改善钙钛矿太阳能电池的效率,但是由于其与电子传输层结合力往往很弱,在沉积钙钛矿层时可能导致其被钙钛矿前驱体移除。因此化学吸附的富勒烯衍生物在提升钙钛矿太阳能电池的稳定性以及效率方面显得更加有效。

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Figure 7. (a) Chemical structure of C60 and PCBA. Reproduced with permission. (b) Schematic illustrations of chemical bond formation between the SnO2 surface and CPTA through an esterification reaction and physical adhesion between the SnO2 surface and PCBM. (c) Schematic structure of the fabricated PSCs and molecular structure of NAMF-H, NAMF-Cl, NAMF-Br and PCBM. (d) Chemical structures of fullerene monomers and dimers. Reproduced with permission.


2.3. 组合策略

2.3.1. 双电子传输层

双电子传输层是构建高性能钙钛矿太阳能电池常用的方法。一般来说,靠近导电衬底的下层具有较好的覆盖性和均匀性,而靠近钙钛矿的上层具有更快的电子迁移速度和较高的导带,从而有助于增强电子转移,减少载流子复合损失。

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Figure 8. (a) Energy diagram of the layers in the PSC device. Reproduced with permission. (b) Cross-sectional TEM images of QD-SnO2@c-TiO2 and EDS elemental analysis of Ti and Sn for both QD-SnO2@c-TiO2. (c) Device architecture of the all-inorganic CsPbI2Br PSC, the corresponding energy diagrams, and cross-section SEM image of CsPbI2Br perovskite film on SnO2/ZnO. (d) Schematic illustration of the preparation of the two types of planar devices of PSCs and cross-sectional SEM image for the representative device. Reproduced with permission.

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Figure 9. (a-c) J-V characteristics of champion devices with different SnO2 layers in reverse and forward scan. Reproduced with permission. (d) Schematic view of the device structure. (e) Corresponding cross-sectional SEM image of the device. (f) Schematic diagram of the electron extraction process for both types of ETL and energy level diagram. Reproduced with permission.


2.3.2. 核壳结构电子传输层

与双电子传输层不同的是,核壳结构是纳米级的组装结构,包含具有更快电荷迁移率的核心材料和具有缺陷钝化功能的壳层材料,通常适用于电子性能优良但缺乏稳定性和表面缺陷密度高的电子传输材料。对ZnO电子传输层而言,这种策略有助于全面发挥其潜力。


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Figure 10. (a) Schematic illustration of the ZnO/ZnS nanoparticles formation mechanism. Reproduced with permission. (b) Fabrication Scheme for the vertically aligned ZnO-NRs and ZnO-NRs@ZnS. (c) The mechanisms of the synthetic of the TiO2@CdS core-shell NAs. (d) Synthetic process of SnO2 and “enveloped” SnO2 NCs. Reproduced with permission.


05  总结与展望 /

为进一步提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。作者们提出了未来的研究方向可以考虑以下几个方面:
1)鉴于大部分无机材料都比较稳定且比有机材料便宜,一些具有形成原子共格界面中间层(Atomically coherent interlayers)潜力的无机材料可以应用于无机电子传输层/钙钛矿界面。
2)增强界面附着力的材料(如自组装硅烷)可以用来提升柔性钙钛矿太阳能电池的机械可靠性。
3)受TiO2介孔结构独特优势的启发,低温处理的介孔SnO2电子传输层可能在界面接触和粘结强度方面具有更大的优势。
4)应用于单节电子传输层的修饰策略(如元素掺杂,界面修饰等)也可以应用在叠层器件中。


06  通讯作者介绍 /

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潘军(通讯作者):

   浙江工业大学材料科学与工程学院教授,博士生导师,现任材料学院先进材料研究中心副主任,浙江省领军型创新团队核心成员,主持和参与国家及省部级项目6项,获国家海外高层次人才青年项目、浙江省“千人计划”创新长期项目资助。曾于2010年至2019年在阿卜杜拉国王科技大学从事博士后研究和研究科学家工作。主要从事半导体纳米晶的精准合成及其光电器件应用研究,相关成果在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.等期刊发表学术论文60余篇,授权国际和国内专利各4项。

http://www.homepage.zjut.edu.cn/pj/

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何青泉(通讯作者):

浙江工业大学材料科学与工程学院教授,硕士生导师,博士毕业于上海交通大学。2016年至2020年先后在美国南达科他州立大学和佛罗里达州立大学从事博士后研究。主要研究方向为钙钛矿太阳能电池、量子点光电材料与器件、低维类钙钛矿发光材料等;致力于应用表面改性技术攻克钙钛矿光电材料与太阳能电池器件的效率与稳定性难题,并推动部分成果的产业化进程。在Angew. Chem、Sci. Adv.和Nat. Commun.等期刊上发表学术论文50余篇,H因子29。

 

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