高效率Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池研究

導讀

多巴胺離子是一種強還原性材料，可將鈣鈦礦中的Sn4+還原為Sn2+。同時，多巴胺陽離子作為一種胺基陽離子，可生成二維鈣鈦礦相，形成2D/3D異質結。該異質結引起能帶彎曲，更有利于載流子的提取。二維鈣鈦礦在薄膜表面的鈍化作用也減少了非輻射復合，提升了載流子壽命?；诖?，該研究制備的Pb-Sn窄帶隙鈣鈦礦電池效率最高可達22.31%。與此同時，得益于還原性二維鈣鈦礦的保護作用，未封裝器件在氮氣環境連續工作1000小時仍能保持初始效率的86%。

Part.1

研究背景

Pb-Sn鈣鈦礦是全鈣鈦礦疊層太陽能電池的重要組成部分，其禁帶寬度可低至1.24 eV。然而，由于組分中的Sn2+極易被氧化，制備高效穩定的Pb-Sn鈣鈦礦電池仍然是一項具有挑戰的工作，這對進一步提高鈣鈦礦太陽能電池（PSC）效率形成了制約。目前，在鈣鈦礦中添加抗氧化劑以及還原劑是調控Sn4+濃度、抑制Sn2+氧化的有效策略。此外，在鈣鈦礦中引入大尺寸有機陽離子形成二維(2D)鈣鈦礦覆蓋層是鈣鈦礦研究中的熱點方向，利用二維鈣鈦礦材料對水汽的優秀抵抗能力提升鈣鈦礦的穩定性。

Part.2

圖文解析

多巴胺陽離子（DAH+）可將SnI2溶液中的Sn4+還原成Sn2+，溶液顏色從紅棕色恢復為黃色，同時能夠防止Sn2+的氧化（圖1a）。XPS測試結果表明，DAH+可以顯著降低SnI2薄膜以及Pb-Sn鈣鈦礦薄膜中Sn4+的濃度（圖1b，c），說明其對Sn4+具有良好的還原作用。使用1H NMR測試發現，DAH+和SnI4作用，DAH+被H2O2氧化后再和SnI4作用，兩個過程具有相似的峰位移動，說明DAH+和SnI4之間先發生氧化還原反應，反應產物可進一步進行配位作用。

使用后處理的方式將DAH+引入到鈣鈦礦薄膜表面，電池的效率從18.81%提升到22.31%。電池效率的提升主要來自開路電壓和填充因子的提升（圖2a,b）。統計數據也表明使用DAH+之后,電池效率顯著提升（圖2c）,在60 s時間內保持穩定輸出（圖2d），長波長區域量子效率明顯提升（圖2e）,暗電流降低（圖2f）。因此，DAH+可以顯著提升Pb-Sn鈣鈦礦電池的電學性質。為了探究性能提升的機理，接下來對DAH+處理前后鈣鈦礦形貌和光電性質進行了表征。

DAH+分子一端是強還原性的酚羥基，一端是胺基陽離子，可以在鈣鈦礦表面形成二維鈣鈦礦（圖3a）,形成2D/3D結構。SEM測試表明DAH+處理后在晶界處生成新的物質。PL測試表明，DAH+處理之后，除了在1000 nm處有三維鈣鈦礦的發光峰，在520 nm左右出現二維鈣鈦礦的發光峰（圖3f）。TEM測試發現添加 DAH+之后出現二維鈣鈦礦的信號。PL和TEM測試證實DAH+在鈣鈦礦表面形成二維鈣鈦礦。KPFM測試表明，DAH+處理之后，晶界和晶面處的功函數存在差異，有利于減少載流子在晶界處的復合。

對DAH+處理之后的鈣鈦礦薄膜進行UPS表征，并計算其能帶圖，可以看出價帶和導帶都向下偏移，有利于載流子的提?。▓D4a）。瞬態光電流曲線表明器件載流子提取能力增強（圖4b）。瞬態光電壓以及Voc對光強依賴曲線表明載流子壽命增強、非輻射復合被抑制（圖4c,d）?？臻g限制電荷曲線表明缺陷態密度降低，DAH+形成的還原性二維鈣鈦礦能夠有效鈍化表面缺陷(圖4e)。此外，M-S測試表明器件內建電壓提升，這和器件的Voc提升相對應。

還原性二維鈣鈦礦鈍化層可以有效隔絕氧氣，減少氧氣對鈣鈦礦薄膜的破壞（圖5a）。將DAH+處理前后的鈣鈦礦薄膜置于空氣環境，測試其PL強度隨時間變化，可以明顯看到DAH+能夠減緩鈣鈦礦薄膜性能的衰減（圖5b）。在空氣環境和氮氣環境進行穩定性測試，都表明還原性二維鈣鈦礦能夠有效提升鈣鈦礦電池的穩定性。

Part.3

亮點總結

1. 多巴胺陽離子具有強還原性，可將Pb-Sn鈣鈦礦中的Sn4+還原為Sn2+，減少因為氧化而造成的缺陷。

2. 多巴胺陽離子在鈣鈦礦表面形成2D鈣鈦礦相，有效鈍化了缺陷，提升了載流子壽命；2D/3D異質結形成的能帶彎曲有利于載流子的提取。

3. 基于還原性二維鈣鈦礦鈍化層的Pb-Sn鈣鈦礦電池獲得了22.31%的能量轉換效率；得益于二維鈣鈦礦的保護作用，器件在空氣或者氮氣環境下的穩定性都顯著提升。

消息來源：西北工業大學材料學院

審核編輯：湯梓紅