蒸镀碘化铯改善钙钛矿界面的研究

蒸镀碘化铯改善钙钛矿界面的研究

马昆松

深圳无限光能技术有限公司 深圳市 518000

摘要

采用真空蒸镀碘化铯（CsI）作为钙钛矿层和其上空穴传输层的界面修饰材料，对钙钛矿层的表面缺陷进行钝化，从而提高钙钛矿太阳能电池器件的光电转换效率。J-V测试数据表明，钝化后的器件光电性能得到明显提升，短路电流密度最高24.03mA/cm2，开路电压最高1.1V，转换效率最高达到20.44%，且器件的迟滞因子得到改善。

关键词：钙钛矿太阳能电池；钙钛矿界面钝化层；器件光电性能

0 引言

钙钛矿太阳能电池是一类以金属卤化物钙钛矿材料作为吸光层的太阳能电池，自2009年首次将CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3作为染料敏化太阳能电池的敏化剂实现了4%的光伏效率[1]，此后以CH3NH3PbI3和CH3NH3PbI3-xClx为代表的全固态钙钛矿太阳能电池的光电转换效率迅速提升，2012年已提高至10%，仅一年后已突破15%[2]，目前钙钛矿太阳能电池最高的认证效率已达到26.1%[3]。

在钙钛矿表面层的表面、晶界处和钙钛矿层与缓冲层界面上存在较多缺陷[6]，这些缺陷增加了载流子复合的几率，而对器件性能产生负面影响[4]。传统结构的钙钛矿太阳能电池中，spiro-OMeTAD的最为常用的的空穴传输层材料，然而部掺杂的spiro-OMeTAD载流子迁移率低，需加入Li-TFSI级TBP进行调节，但Li-TFSI的吸湿性与TBP对钙钛矿层的腐蚀性不利于钙钛矿器件的稳定性，因此，如何提高spiro-OMeTAD空穴传输层的稳定性，以及抑制与钙钛矿界面处的载流子复合是一个重要的因素[5]。

本文主要研究钙钛矿界面缺陷钝化对器件光电性能提升的作用，通过真空蒸镀的工艺方法，使用CsI来钝化钙钛矿太阳能器件，使钙钛矿层与空穴传输层之间的界面缺陷得到钝化，减少缺陷态密度和载流子在界面处的复合，提高器件性能。

1 实验

实验采用正式器件结构（n-i-p），基底为掺氟氧化锡导电玻璃（FTO），规格为2.0cm×2.0cm，原器件结构为FTO/SnO2/PVK/Spiro-OMeTAD/MoO3/Ag，本实验方法是在钙钛矿层和空穴传输层之间引入CsI作为钝化层，采用真空蒸镀工艺，CsI镀膜厚度为10nm～20nm。

2 结果与讨论

在钙钛矿吸光层界面上，采用CsI进行表面钝化，通过后续的高温退火工艺，Cs+可以补充表面Pb2+空位，I-离子可以与游离的Pb2+进行结合，形成稳定的FAPbI钙钛矿结构。主要作用机理是使表面形成FA-Cs混合阳离子钙钛矿，增加钙钛矿的稳定性。对于引入Cs的FA-Cs体系钙钛矿，再采用PEAI进行钝化界面后处理，钙钛矿对FA+和PEAI+之间的阳离子交换表现出更高的抵抗力，Cs含量越高，对阳离子交换反应的抵抗力越强，器件稳定性越好，后处理和缺陷钝化的工艺越容易实施。

表1为不同厚度的CsI界面钝化层，对钙钛矿层太阳能电池性能的测试结果。其中对照组器件转换效率（PCE）平均值为15.03%，蒸镀CsI 10nm作为钝化层后，太阳能电池器件的PCE均值提升至18.93%。

表1. 蒸镀不同CsI钝化层膜厚的器件性能测试数据

表1 迟滞因子的测试数据表明，经过CsI界面钝化后的钙钛矿太阳能器件的迟滞因子减小，随着CsI钝化层的膜厚增加，迟滞因子呈现增大的趋势，但CsI膜厚为15nm时的迟滞因子仍然比对照组要小，说明CsI钝化可减小钙钛矿太阳能器件的迟滞效应。              表1蒸镀不同CsI膜厚钝化钙钛矿太阳能电池器件性能的测试结果，测试数据可以明显看出各项指标的变化趋势。未蒸镀CsI的参照器件，转换效率PCE均值为15.03%，开路电压Voc均值为0.93V，填充因子FF均值为69.64%，短路电流密度Jsc均值为23.13%。

当蒸镀CsI作为钙钛矿器件界面钝化层，其膜厚为10nm时，PCE达到最大值，PCE均值由15.03%提高至18.93%，其PCE最大值为20.44%；短路电流密度、开路电压和填充因子也得到了提升。其中比较明显的改善在于开路电压和填充因子的提升，表明经CsI层对钙钛矿与Spiro-OMeTAD界面修饰后，使界面层的表面缺陷密度降低，减少了载流子在界面处的复合，使开路电压得到提升，进而改善了器件的填充因子，填充因子均值由原来的69.64%提升到73.20%。

钙钛矿层与空穴传输层之间钝化层作用是屏蔽间界面处的不匹配，防止发生界面反应、电子回流和电荷重组等。本实验引入CsI界面钝化层后，钙钛矿太阳能器件的短路电流密度也得到提升，而且随着CsI膜厚的增加，其短路电流密度逐渐升高，但相对应的开路电压值，随着CsI膜厚的增加呈现先升高再下降的趋势，进而影响填充因子也呈现出先增大再减小的趋势，因此在CsI膜厚为10nm时，钙钛矿太阳能器件的转换效率达到最高。

3 结论

本文采用蒸镀CsI对钙钛矿太阳能器件的光吸收层与空穴传输层的界面进行钝化，减少了钙钛矿层表面的缺陷态密度，降低了载流子在界面处的复合，使器件的短路电流密度、开路电压和填充因子都得到提升，器件的PCE均值也由原来的15.03%提高到18.93%，PCE最大值达到20.44%。经CsI界面钝化后，器件的迟滞效应也有所改善。

[参考文献]

[1] Kojima A, Teshima K, Shirai Y, and Miyasaka T. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. J. Am. Chem. Soc.,2009, 131:6050.

[2] Liu M, Johnston M B, and Snaith H J. Efficent planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition. Nature,2013,501:395.

[3] NREL Best Research-Cell Efficiency Chart, https://www.nrel.gov/pv/interactive-cell-efficiency.html(July 2023).

[4] 肖立新, 邹德春, 等. 钙钛矿太阳能电池[M]. 第2版. 北京大学出版社, 2020：23.

[5] Jung M C, Raga S R, Ono L K, and Qi Y. Substantial improvement of perovskite solar cells stability by pinhole-free hole transport layer with doping engineering. Sci Rep, 2015, 5:9863.