红色碳量子点掺杂的 SnO2为电子传输层的钙钛矿太阳能电池效率达到 22.77%

来源：材料人

【引言】

最近，新型的、低温制备的SnO2有望取代TiO2来作为平面异质结钙钛矿太阳能电池的电子传输层（ETL），得益于它与钙钛矿更匹配的能级结构和比TiO2更高的电子迁移率。SnO2为ETL的钙钛矿太阳能电池被广泛研究。然而，SnO2的电子迁移率比CH3NH3PbI3低，表明SnO2不适合作为ETL。近期研究表明通过离子注入、掺杂或者采用添加剂等手段对SnO2进行改性可以大幅提高它的电子迁移率和成膜质量。碳衍生物具有可设计性强、电子结构可调等很多优点，可通过一系列化学合成工艺使其携带丰富的羧酸和羟基等有机基团，因此被广泛用作钙钛矿太阳能电池的添加剂或者中间修饰层，从而改善钙钛矿晶体薄膜的形貌和结晶性，提供电荷收集通道，促进电子提取。因此，使用碳量子点对SnO2 ETL进行改性研究具有十分重要的意义。

【成果简介】

近日，中国科学院上海高等研究院/上海同步辐射光源的杨迎国博士、高兴宇研究员和南京工业大学先进材料研究院陈永华教授（共同通讯作者）用红色碳量子点（RCQs）掺杂低温溶液加工的SnO2，使SnO2的电子迁移率由9.32 × 10−4cm2  V−1  s−1增加到1.73 × 10−2 cm2 V−1 s−1。所得迁移率是改性SnO2的电子迁移率已报道的最高值之一。红色碳量子点掺杂的 SnO2（SnO2-RCQs）为电子传输层的钙钛矿太阳能电池效率达到 22.77%。这种钙钛矿太阳能电池在25℃、湿度为40–60%的条件下工作1000h后，效率为其初始效率的95%以上。这些性能一方面归因于SnO2-RCQs极高的电子迁移率，另一方面归因于改性的ETL促使钙钛矿前驱体形成大面积高质量的钙钛矿结晶膜，这表明廉价的碳量子点是制备高效ETL的简单而出色的材料。上述成果发表在国际著名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1.

a.SnO2-RCQs和SnO2分别为ETL的单载流子器件的J-V曲线；

b.SnO2-RCQs薄膜和SnO2薄膜的导电率；

c,d.SnO2-RCQs薄膜和SnO2薄膜的AFM高度图；

e.SnO2-RCQs薄膜和SnO2薄膜的Sn 3d XPS图；

f.RCQs和SnO2-RCQs的C 1sXPS图。

图2.

a.SnO2-RCQs和SnO2上的钙钛矿薄膜的SEM图；

b.SnO2-RCQs和SnO2上的钙钛矿薄膜的吸收光谱；

c.SnO2-RCQs和SnO2上的钙钛矿薄膜的PL光谱；

d.SnO2-RCQs和SnO2上的钙钛矿薄膜的TRPL光谱；

e.SnO2-RCQs和SnO2上的钙钛矿薄膜的2D-GIXRD图；

f.SnO2-RCQs和SnO2上的钙钛矿薄膜的1D-GIXRD图。

图3.

a.GIXRD线扫描的示意图；

b,c.1D GIXRD图；

d,e.FWHM和钙钛矿（110）峰的位置；

f.SnO2-RCQs上的钙钛矿薄膜的结晶机理。

图4.

a.倒置型平面异质结钙钛矿太阳能电池的结构；

b.SnO2-RCQs和SnO2分别为电子传输层的性能最好的钙钛矿太阳能电池在1个太阳光照条件下的J-V曲线；

c.SnO2-RCQs和SnO2分别为电子传输层的性能最好的钙钛矿太阳能电池的正向扫描和反向扫描的J-V曲线；

d.SnO2-RCQs为电子传输层的钙钛矿太阳能电池在Vmax ≈ 1.0 V时的效率和光电流密度；

e.SnO2-RCQs和SnO2分别为电子传输层的性能最好的钙钛矿太阳能电池的EQE曲线和电流密度；

f.SnO2-RCQs和SnO2分别为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的标准化的效率在25℃、湿度为40–60%的黑暗环境中随时间的变化。

文献链接：

Red‐Carbon‐Quantum‐Dot‐Doped SnO2 Composite with Enhanced Electron Mobility for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells（Adv. Mater，2019，DOI：10.1002/adma.201906374）

基于同步辐射掠入射XRD面扫描和TRPL 面扫描研究发现，该方法能够同时实现高迁移率的电子传输层和钙钛矿膜下层界面处的缺陷钝化，形成大面积高质量的钙钛矿薄膜，方法简单易行，适合器件的大规模生产制备，可为进一步提高钙钛矿电池效率和稳定性提供重要指导。

上海光源与南京工业大学联培硕士生惠伟、上海高等研究院/上海光源杨迎国博士和中国石油大学徐泉博士为本文的共同第一作者。本工作得到了上海光源线站BL01B1和BL14B1的大力支持；该工作还得到了科技部国家重点研究计（2017YFA0403400, 2017YFB0701902, and 2015CB932200）、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、上海市科委项目等的资助。