徐保民课题组AFM：基于低温制备的二氧化锡电子传输层的高效柔性钙钛矿太阳能电池

来源：研之成理

第一作者：刘畅；通讯作者：徐保民；

通讯单位：南方科技大学；

论文DOI：10.1002/adfm.201807604   

全文速览

本文采用水蒸气处理的方法，在低温条件下（<100 ℃）制备得到结晶度高且表面清洁的二氧化锡电子传输层，基于这种低温制备的二氧化锡的钙钛矿太阳能电池器件在柔性基底上获得了 18.1 % 的效率（认证效率 17.3 %）。

背景介绍

柔性钙钛矿太阳能电池是钙钛矿太阳能电池领域重要的研究方向，也是钙钛矿太阳能电池产业化的主要市场。虽然目前钙钛矿太阳能电池在固态基地上的效率和稳定性都取得了长足的进步，但是柔性钙钛矿太阳能电池的研发仍然是国内外研究的难点，相比于固态基底，柔性基底上电池器件的效率仍然偏低。其中，正型钙钛矿太阳能电池中采用的电子传输层材料多选用 TiO2，SnO2 等半导体材料，这些金属氧化物通常需要在较高的温度下进行煅烧才能获得比较好的性能，而柔性基底通常是不能耐高温的，高温煅烧会造成柔性基底的形变甚至分解。因此，目前的研究的方向是开发一种环境友好，工艺简单的方式在低温条件下得到高质量的电子传输层材料，从而得到更高效率的柔性钙钛矿太阳能电池器件。

研究出发点

本文着重解决传统半导体氧化物电子传输材料需要高温煅烧的问题，开发一种简便的水热处理的方法，在 100 ℃ 的低温下即可得到高质量的二氧化锡薄膜，用其制备的柔性钙钛矿太阳能电池效率达到 18.1 %。

图文解析

▲图1 水热处理和传统高温煅烧处理制备二氧化锡薄膜示意图

如图1 所示，本文制备二氧化锡薄膜采用先旋涂沉积 SnO2 纳米颗粒水溶液的方法得到致密的 SnO2 薄膜，然后采用高温高压的水蒸气对 SnO2 薄膜进行处理，相比传统的热退火处理，使用的温度可以从 150 ℃ 降低至 100 ℃ 即可有效除去 SnO2 薄膜表面吸附的表面活性剂并且提高 SnO2 纳米颗粒的结晶度。

▲图2 基于未处理 SnO2 薄膜、热退火处理 SnO2 薄膜和水热处理 SnO2 薄膜制备的钙钛矿太阳能电池光电性能以及对应的 EQE

从图2 中可以看出，基于未处理 SnO2 薄膜制备的钙钛矿太阳能电池性能很差，其短路电流 (Jsc) 是 20.9 mA·cm-2, 开路电压 (Voc) 为1.00 V 填充因子 (FF) 是 65.5 % 而光电转换效率 PCE 只有 14.3 %。这是由于未处理的 SnO2 薄膜表面存在大量的表面活性剂并且其结晶度很低，因此电荷传输效率较低，从而导致器件性能的下降。采用传统高温 150 ℃ 热退火处理之后，SnO2 薄膜的性能得到一定的提高，因此可以使得器件的 PCE 提高到 19.4 %。而本文发展的水热处理法借助高温高压的水蒸气，可以在更低的温度下（100℃）提高 SnO2 的结晶度和表面清洁度，从而实现 20.3 % 的 PCE。

▲图3 基于水热处理 SnO2 薄膜制备的柔性钙钛矿太阳能电池器件性能

由于本文发展的水热法处理所需的温度很低，因此非常适合用于制备柔性钙钛矿太阳能电池。从图3 中可以看出，基于水热处理 SnO2 薄膜制备的柔性钙钛矿太阳能电池具有较高的 PCE（18.1 %）并且正反扫结果显示的迟滞非常小。所得器件在空气中储存 30 天或弯折 1000 次之后仍保持较高的效率，表现出良好的稳定性。

总结与展望

本文发展的低温水热处理金属氧化物薄膜的方法操作简单，效果明显，因此可以很容易的拓展到对其他电子传输层材料的应用领域，例如 TiO2，ZnO 等等，从而助力柔性钙钛矿太阳能电池的研究和发展。

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201807604

（点击文末｢阅读原文｣直达原文阅读）