仿真+实验!如何让CsPbI3钙钛矿太阳能电池性能更上一层楼?

Optimizing the Performance of CsPbI3‑Based Perovskite Solar Cells via Doping a ZnO Electron Transport Layer Coupled with Interface Engineering

Man Yue, Jie Su*, Peng Zhao, Zhenhua Lin, Jincheng Zhang, Jingjing Chang*, Yue Hao
Nano-Micro Lett. (2019) 11: 91
https://doi.org/10.1007/s40820-019-0320-y
本文亮点

1 利用器件仿真结合第一性原理计算优化了CsPbI3基钙钛矿太阳能电池的性能
2 研究发现同时引入超薄TiO2缓冲层增加ZnO电子传输层的掺杂浓度可以使得CsPbI3基钙钛矿太阳能电池的开路电压和光电转换效率分别提高到1.31V和21.06%。
3 结果表明CsPbI3/ZnO界面掺杂不仅可以弱化电流迟滞还可以在ZnO/电极界面处引入相反的内建电场,同时超薄的界面层可以降低钙钛矿的能带弯曲程度并改善钙钛矿晶体结构。
内容简介

西安电子科技大学郝跃院士团队的常晶晶教授课题组,采用器件仿真结合第一性原理的方法,探究了CsPbI3/ZnO界面微结构、电子结构与性质之间的联系,结果表明在CsPbI3/ZnO界面中引入超薄TiO2缓冲层并同时增加ZnO的掺杂浓度可以将CsPbI3基钙钛矿太阳能电池的开路电压和光电转换效率分别提高到1.31V和21.06%。
通过优化glass/ITO/NiO/CsPbI3/ZnO/Ag器件结构,确定了钙钛矿和ZnO的最佳厚度,并探究了器件性能变化的机理。研究结果显示吸光层厚度为200nm、氧化锌电子传输层厚度为40nm时,电池器件的光电转换效率取得了最佳值(15.09%)。
之后分别探究了ZnO电子传输层的掺杂浓度、PCBM和TiO2界面层的厚度对器件性能的影响规律,并从能带图、外量子效率、电荷密度等方面探究了器件性能的变化机理。研究结果表明增大ZnO掺杂浓度可以弱化电流迟滞并在ZnO/电极界面处引入相反的内建电场,而超薄的界面层可以降低钙钛矿的能带弯曲程度并改善钙钛矿晶体结构。在此基础上,研究发现在引入TiO2界面层的基础上同时增大掺杂浓度可以协同提升钙钛矿器件的性能。
本文提出的利用ZnO掺杂同时引入界面层的方法改善了全无机CsPbI3太阳能电池性能,并为进一步提升CsPbI3太阳能电池性能提供了一条新的理论依据和技术方案。
我们期望本文的理论基础和技术路线能够得以广泛应用,使钙钛矿太阳能电池性能可以得到极大的提升,早日实现商业化应用。
研究背景

近年来,虽然有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池的光电转化效率已经从3.8%上升到25.2%,但是其有机阳离子的吸湿性和易挥发性严重限制了其应用。使用无机阳离子代替有机阳离子形成的全无机钙钛矿太阳能电池展现出良好的环境(如热、光照)稳定性。

其中全无机钙钛矿CsPbI3被认为是一种极有潜力的太阳能电池材料,而且目前基于CsPbI3钙钛矿太阳能电池的最高光电转换效率已经达到了18%。但是这一效率依然低于其理论极限和实际应用需求。为了进一步提升CsPbI3钙钛矿太阳能电池的性能,厘清钙钛矿太阳能电池微结构与性能之间的联系,并进一步给出最优结构设计是非常重要的。

图文导读

钙钛矿器件结构
全无机CsPbI3太阳能电池结构,如图1所示。
图1 太阳能电池结构示意图(a)不含界面层(b)含有界面层。
最佳钙钛矿层和氧化锌电子传输层厚度

探索了全无机CsPbI3太阳能电池性能与钙钛矿吸光层和氧化锌电子传输层厚度的关系和机理,如图2, 3所示。当钙钛矿层和电子传输层厚度分别为200nm和8nm时电池器件分别取得了最佳性能。

图2 (a, d) 器件性能; (b)外量子效率; (c) 载流子产生效率随钙钛矿层厚度变化曲线。

图3 器件性能随ZnO电子传输层厚度变化曲线。
电子传输层掺杂浓度和界面插入层分别对器件性能的影响

探索了CsPbI3太阳能电池性能与ZnO电子传输层的掺杂浓度、界面层(PCBM和TiO2)之间的关系和机理,如图4, 5所示。增大ZnO掺杂浓度可以弱化电流迟滞改善器件的填充因子,但同时会在ZnO/电极界面处引入相反的内建电场降低开路电压;而超薄的界面层可以降低钙钛矿的能带弯曲和钙钛矿晶体的结构畸变程度,增大开路电压,但填充因子依然不足。

图4 (a, c) CsPbI3太阳能电池性能; (b) J-V曲线; (d) 能级图及开路电压随着掺杂浓度的变化。

图5 CsPbI3太阳能电池性能的(a)J-V曲线; (b)外量子效率和(c)能级图; (d)不同电场下CsPbI3/ZnO以及CsPbI3/TiO2/ZnO界面的态密度; (e)CsPbI3/ZnO和(f)CsPbI3/TiO2/ZnO界面的优化微结构。

同时调控掺杂浓度和引入插入层对器件性能的影响
在CsPbI3太阳能电池中,引入TiO2插入层的同时增大ZnO电子传输层的掺杂浓度,不仅可以增大器件的填充因子(增大至72.07%),同时还能进一步改善器件的开路电压和光电转换效率至1.31V和21.06%,这为进一步改善钙钛矿器件性能提供了指导。

作者简介

常晶晶

(本文通讯作者)

西安电子科技大学微电子学院

教授、博士生导师

主要研究领域

主要从事有机及金属氧化物半导体电子器件的制备及研究,柔性印刷器件工艺的优化,有机及钙钛矿太阳能电池的研究工作等。
主要研究成果
截止目前,在Advanced Materials, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Energy Materials 等国际核心期刊上发表SCI论文120余篇,被引用2000余次,其中中科院一区70余篇,部分研究成果被Materials Views China, Synfacts, X-MOL等网站作为研究亮点进行报道,多篇文章入选年度热点文章,另有多篇ESI高被引文章,授权美国发明专利一项,申请中国专利二十余项。

Email: jjingchang@xidian.edu.cn

苏杰博士

(本文通讯作者)

西安电子科技大学微电子学院

硕士生导师、博士后创新人才计划入选者

主要研究领域

近年来主要从事二维、宽禁带半导体和钙钛矿材料及器件界面的研究工作等。

主要研究成果
截至目前,在Advanced Functional Materials, Nano Energy, Nanoscale 等国际核心期刊上发表论文40余篇,他引300余次。
Email: sujie@xidian.edu.cn
撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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