張 勇,翟光美,鄭露露,高領(lǐng)偉,陳 青,任錦濤,郁 軍,許并社
(1 太原理工大學(xué) 新材料界面科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024;2 中國(guó)科學(xué)院 可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510640;3 太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)
有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料具有吸光系數(shù)高、載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度較大、可溶液工藝制備等特性,以其作為有源層的太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率(PCE)目前已經(jīng)超過(guò)23%[1]。除有源層外,鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)中的電子傳輸層也對(duì)電池性能起著至關(guān)重要的作用。
目前,高效率鈣鈦礦電池一般采用介孔TiO2作為電子傳輸層,但是TiO2電子遷移率低[2],紫外光穩(wěn)定性差[3],而且鈣鈦礦難以完全填充介孔TiO2的孔隙網(wǎng)格,容易造成載流子的復(fù)合[4]。ZnO電子遷移率是TiO2的5~10倍,但在進(jìn)行熱退火(>100 ℃)處理過(guò)程中,ZnO易于造成鈣鈦礦分解,嚴(yán)重影響器件性能[5]。相比于TiO2和ZnO,SnO2具有更高的電子遷移率和化學(xué)穩(wěn)定性,且與鈣鈦礦能級(jí)更為匹配,不僅有利于鈣鈦礦晶體質(zhì)量和器件壽命的提高而且可減少電子傳輸中的能量損失。平面結(jié)構(gòu)的SnO2電子傳輸層已被廣泛使用,但對(duì)于基于平面結(jié)構(gòu)電子傳輸層的鈣鈦礦電池來(lái)說(shuō),存在不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦有源層高效吸收太陽(yáng)光和光生載流子高效利用的問(wèn)題[6]。一維(1D)金屬氧化物(如TiO2,ZnO和SnO2等)納米棒結(jié)構(gòu)作為電子傳輸?shù)闹苯油ǖ?,有望在高效提取光生電子的基礎(chǔ)上通過(guò)提高鈣鈦礦有源層厚度同時(shí)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的充分利用。此外,一維納米棒結(jié)構(gòu)相較于介孔結(jié)構(gòu)更有利于鈣鈦礦的充分填充,可形成良好的異質(zhì)結(jié)界面,從而提高鈣鈦礦電池性能。但到目前為止,由于高質(zhì)量SnO2納米棒的低溫液相生長(zhǎng)技術(shù)尚不成熟,以其作為電子傳輸層制備鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的報(bào)道較少,僅有部分學(xué)者[7-10]探索了SnO2納米棒在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池上的應(yīng)用。上述工作均以SnCl2·2H2O為籽晶層前驅(qū)體,利用水熱法在含錫溶液中生長(zhǎng)得到SnO2納米棒。籽晶層不僅可以作為緩沖層誘導(dǎo)SnO2取向生長(zhǎng)[11],而且可以作為致密層防止電池短路,對(duì)生長(zhǎng)規(guī)則有序的SnO2納米棒和制備高性能電池均有重要作用,但目前鮮有利用其他籽晶層前驅(qū)體生長(zhǎng)SnO2納米棒并應(yīng)用于鈣鈦礦電池的報(bào)道。
本工作分別利用SnO2納米粒子和SnCl2·2H2O作為籽晶層前驅(qū)體生長(zhǎng)了SnO2納米棒,比較研究不同籽晶層前驅(qū)體對(duì)SnO2納米棒生長(zhǎng)質(zhì)量和鈣鈦礦電池性能的影響。本工作的研究結(jié)果將不僅有助于進(jìn)一步提高SnO2納米棒的生長(zhǎng)質(zhì)量,也可以加深對(duì)SnO2納米棒鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)。
氧化錫膠體溶液(SnO2,Alfa Aesar,15%),二水氯化亞錫(SnCl2·2H2O,aladdin),五水四氯化錫(SnCl4·5H2O,aladdin),二甲基亞砜(DMSO,Sigma-Aldrich,99.5%),N,N-二甲基甲酰胺(DMF,Sigma-Aldrich,99.8%),2,2′,7,7′-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9′-螺二芴(Spiro-OMeTAD),碘化鉛(PbI2),溴化鉛(PbBr2),甲脒氫碘酸鹽(FAI),甲基溴化胺(MABr),甲基氯化胺(MACl),雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰(Li-TFSI),乙腈(分析純)和4-叔丁基吡啶(TBP,96%)均購(gòu)買(mǎi)自西安寶萊特科技有限公司;鹽酸(37%),無(wú)水乙醇(98%)購(gòu)買(mǎi)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司。
SnO2納米棒是在涂有籽晶層的摻氟氧化錫(FTO)玻璃上生長(zhǎng)的。FTO分別在去污液、去離子水、丙酮和乙醇中超聲清洗15 min,經(jīng)氮?dú)獯蹈珊妥贤獬粞跆幚?5 min后用于沉積籽晶層。分別利用SnCl2·2H2O乙醇溶液和SnO2納米粒子膠體溶液作為前驅(qū)體制得了兩種籽晶層,具體過(guò)程為:以1000 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)30 s,將30 μL濃度為0.1 mol·L-1的SnCl2·2H2O乙醇溶液旋涂在FTO基底上,然后150 ℃退火5 min,再轉(zhuǎn)移至350 ℃的管式爐中燒結(jié)30 min制得籽晶層,命名為SLA;以3000 r/min的轉(zhuǎn)速旋涂30 s,將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.67%的SnO2納米粒子膠體溶液旋涂于FTO基底上,再在150 ℃下退火1 h得到籽晶層,命名為SLB。將沉積有SnO2籽晶層的FTO放入高壓釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中,并倒入五水四氯化錫(65 mg)、水(25 mL)、乙醇(25 mL)和鹽酸(2 mL)的混合溶液,然后將密封的高壓釜放入200 ℃的烘箱中水熱反應(yīng)12 h。反應(yīng)結(jié)束后,用去離子水和乙醇沖洗薄膜以去除表面雜質(zhì),之后在450 ℃下退火30 min,所得SnO2納米棒薄膜分別命名為NRA和NRB。
所制得的SnO2納米棒薄膜經(jīng)紫外臭氧處理15 min后轉(zhuǎn)移至氮?dú)馐痔紫渲幸灾苽溻}鈦礦薄膜和電池。制備鈣鈦礦薄膜前需先配制鉛鹽溶液和胺鹽溶液,其中鉛鹽溶液是通過(guò)將PbI2和PbBr2溶解在DMF與DMSO的混合液(體積比為95∶5)中制得的,PbI2和PbBr2的濃度分別是1.275 mol/L和0.025 mol/L,胺鹽溶液是通過(guò)將FAI,MABr和MACl溶解于異丙醇中制得的,三者質(zhì)量濃度分別為60,6 mg/mL和6 mg/mL。鈣鈦礦薄膜采用兩步法制備,首先以1500 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)30 s,將30 μL鉛鹽溶液旋涂到SnO2納米棒薄膜上,并在70 ℃下退火30 s,然后以1500 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)30 s,將200 μL胺鹽溶液旋涂其上,最后在125 ℃下退火20 min制得鈣鈦礦薄膜。將鈣鈦礦薄膜冷卻至室溫后,再以3000 r/min的轉(zhuǎn)速旋涂30 s,將30 μL Spiro-OMeTAD前驅(qū)液旋涂到鈣鈦礦薄膜上作為空穴傳輸層,該前驅(qū)液由72.3 mg Spiro-OMeTAD,29 μL TBP和18 μL Li-TFSI乙腈溶液(濃度為520 mg/mL)全部溶解于1 mL氯苯制得。將所得樣品放置在電子干燥箱(≤15%RH)中氧化12 h,之后通過(guò)熱蒸發(fā)方法在空穴傳輸層上沉積Au電極層以完成整個(gè)電池的制備。
使用紫外可見(jiàn)近紅外(UV-vis-NIR)分光光度計(jì)測(cè)試薄膜的吸收光譜;利用X射線(xiàn)衍射儀(XRD)對(duì)薄膜晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征;利用掃描電子顯微鏡(SEM)表征薄膜表面形貌,并利用其附帶的能量色散X射線(xiàn)譜儀(EDS)分析SnO2納米粒子籽晶層的組分;使用穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光光譜(PL)儀測(cè)試鈣鈦礦薄膜的發(fā)光性質(zhì);鈣鈦礦電池的性能是利用太陽(yáng)能電池測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試得到的。
圖1(a),(b),(c)分別為FTO,SLA和SLB樣品的平面SEM圖??梢钥闯?,SLA表面仍然存在與FTO相似的大顆粒,僅顆粒邊界處(低凹處)不及FTO晶界分明,說(shuō)明所生成的籽晶更多地沉積在FTO表面低凹處;SLB樣品表面的顆粒形狀和邊界不明顯,表面更為平整、均勻,說(shuō)明所生成的籽晶沉積在整個(gè)FTO表面(包括凸起處和低凹處),籽晶層更為致密。本工作在SnO2體系中觀察到的這一現(xiàn)象也在ZnO體系中報(bào)道過(guò)[12],但該報(bào)道并未給出相應(yīng)的機(jī)理解釋。推測(cè)SnO2納米粒子膠體溶液比SnCl2·2H2O 溶液更易于形成致密籽晶層可能主要是由兩種前驅(qū)液的溶液狀態(tài)不同所導(dǎo)致的。穩(wěn)定分散的膠體粒子一般由膠核、吸附層和擴(kuò)散層組成,其中膠核對(duì)吸附層的吸引能力較強(qiáng),而對(duì)擴(kuò)散層的吸引能力較弱,從而使膠團(tuán)的吸附層與擴(kuò)散層間易于發(fā)生分裂,造成膠團(tuán)表面帶有電荷,所帶電荷極性與膠核表面因存在不飽和鍵而帶有的電荷極性相反。當(dāng)SnO2納米粒子膠體溶液旋涂到清潔的FTO表面時(shí),由于潔凈FTO表面也存在不飽和鍵(與SnO2納米粒子膠核表面相同),且表面所帶電荷極性與膠體粒子(膠核與吸附層)相反,從而可以通過(guò)靜電吸引作用使SnO2膠體粒子易于在FTO整個(gè)表面(包括FTO表面凸起處和低凹處)沉積。對(duì)于SnCl2·2H2O溶液來(lái)說(shuō),當(dāng)旋涂到FTO表面后,隨著溶劑的揮發(fā),溶液中的Sn2+和Cl-正負(fù)離子由于兩者間的離子鍵結(jié)合力相對(duì)更強(qiáng),從而更易于通過(guò)離子鍵作用而結(jié)晶析出,而非通過(guò)靜電吸引作用被FTO表面吸附。此外,由于重力作用,溶劑在揮發(fā)過(guò)程中更可能在FTO表面低凹處達(dá)到過(guò)飽和而使SnCl2更多地在低凹處結(jié)晶析出,所以經(jīng)后續(xù)退火轉(zhuǎn)化成的SnO2籽晶也更多地存在于低凹處,而非凸起處。因此,相比于SnCl2·2H2O溶液,SnO2納米粒子膠體溶液更易于形成致密的籽晶層。圖2(a-1),(a-2)分別是以SLA和SLB為籽晶層所生長(zhǎng)的SnO2納米棒的平面SEM圖,圖2(b-1),(b-2)分別為其截面SEM圖。由圖2(a-1),(a-2)可見(jiàn),NRA和NRB中的納米棒基本上都呈現(xiàn)四棱柱狀結(jié)構(gòu),且垂直生長(zhǎng)在襯底上[13],NRB中的納米棒分布較均勻平整,而NRA樣品表面不均勻,可觀察到大量非棒狀結(jié)構(gòu)物質(zhì),這可能是由于其籽晶層的覆蓋程度不同所致。SLB有較高的籽晶覆蓋率,更有利于誘導(dǎo)生長(zhǎng)形貌優(yōu)良的SnO2納米棒,而SLA較低的籽晶覆蓋率會(huì)使未覆蓋籽晶層的FTO無(wú)法生長(zhǎng)出SnO2納米棒。由圖2(b-1),(b-2)也可以看出,NRA和NRB均近乎垂直地生長(zhǎng)在襯底上,長(zhǎng)度分別為112 nm和118 nm。大致相等的納米棒長(zhǎng)度說(shuō)明不同籽晶層對(duì)其生長(zhǎng)速度的影響不大。
圖1 FTO(a)及其在FTO上沉積得到的SLA(前驅(qū)物為SnCl2·2H2O乙醇溶液)(b)和SLB(前驅(qū)物為SnO2納米粒子膠體溶液)(c)籽晶層的平面SEM圖
圖2 分別在SLA(1)和SLB(2)籽晶層上生長(zhǎng)SnO2納米棒的SEM圖
圖3為FTO,NRA和NRB薄膜的透射光譜和XRD圖譜。在400~800 nm波段內(nèi),三者的透光率大小順序?yàn)镹RB>NRA>FTO,這表明所生長(zhǎng)的SnO2納米棒具有一定的抗反射能力[14],且NRB薄膜的抗反射能力更優(yōu),這應(yīng)該與其均勻的垂直生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)密不可分。眾所周知,較高透光率的電子傳輸層有助于鈣鈦礦有源層吸收更多的入射光子[9],這有望在一定程度上提高鈣鈦礦電池的性能。另外,F(xiàn)TO,NRA和NRB三種薄膜在紫外光區(qū)表現(xiàn)出相似的典型金紅石型SnO2的帶邊吸收,利用Tauc公式可以計(jì)算出其禁帶寬度約為3.8 eV(如圖3(a)插圖所示)。XRD圖中位于26.4°,33.7°,37.7°,51.5°,54.5°,61.5°和65.6°的衍射峰分別對(duì)應(yīng)SnO2的(110),(101),(200),(211),(220),(221)和(301)晶面,與四方相金紅石結(jié)構(gòu)的SnO2相匹配(JCPDS 41-1445)。此外,NRA和NRB樣品的衍射峰強(qiáng)度明顯高于FTO,而且衍射峰比較尖銳,也沒(méi)有觀察到雜質(zhì)峰,說(shuō)明所生長(zhǎng)的SnO2納米棒結(jié)晶質(zhì)量較高,無(wú)其他物質(zhì)生成[10,15]。
圖3 FTO,NRA和NRB薄膜的透射光譜圖(a)和XRD圖譜(b)
利用兩步旋涂方法分別在NRA和NRB薄膜上制備了鈣鈦礦薄膜,并將其命名為PVK/NRA和PVK/NRB。圖4為兩種鈣鈦礦薄膜的平面SEM圖、吸收光譜圖和XRD圖。從圖4(a),(b)可知,PVK/NRA和PVK/NRB薄膜的表面較平整致密,晶粒尺寸較大(約為600 nm),較大的晶粒尺寸意味著晶界較少,可減少載流子的復(fù)合概率,這有利于電池性能的提高[16]。從吸收光譜可以看出,PVK/NRB薄膜和PVK/NRA薄膜在整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)均表現(xiàn)出較高的光吸收性能。然而,在400~600 nm之間PVK/NRB薄膜比PVK/NRA薄膜具有更卓越的光吸收能力。從XRD圖可知,PVK/NRB與PVK/NRA薄膜相比具有更高的鈣鈦礦衍射峰強(qiáng)度,強(qiáng)而尖銳的衍射峰表明PVK/NRB具有較高的結(jié)晶質(zhì)量,這可能是該薄膜表現(xiàn)出更好光吸收性能的原因。應(yīng)當(dāng)指出的是,傳統(tǒng)的鈣鈦礦薄膜在14.1°表現(xiàn)出最強(qiáng)的(110)衍射峰[17],但是本工作所制備的鈣鈦礦最強(qiáng)衍射峰位于24.2°,可歸屬于立方鈣鈦礦相的(202)晶面[18],這表明所制備的鈣鈦礦晶體具有與常規(guī)鈣鈦礦不同的擇優(yōu)取向。本課題組在平面SnO2薄膜上利用相同的沉積方法也制備了鈣鈦礦薄膜,其XRD結(jié)果與本工作的測(cè)試結(jié)果相同,這表明該特殊擇優(yōu)取向不是由SnO2納米棒引起的,究其原因可能是由其獨(dú)特的鈣鈦礦組分所導(dǎo)致的。
圖4 PVK/NRA和PVK/NRB薄膜對(duì)比
為分析不同籽晶層對(duì)SnO2納米棒/鈣鈦礦層界面電荷轉(zhuǎn)移能力的影響,測(cè)試了沉積于不同基底(包括玻璃、NRA和NRB)上的鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)態(tài)PL光譜(圖5(a),圖中的“×5”指對(duì)PVK/NRA和PVK/NRB兩樣品的PL強(qiáng)度放大了5倍)。可以看出,相比于沉積于玻璃上的鈣鈦礦薄膜(PVK/glass),PVK/NRA和PVK/NRB薄膜均表現(xiàn)出顯著的熒光淬滅現(xiàn)象,這表明鈣鈦礦薄膜中的光生電子可以高效地轉(zhuǎn)移至SnO2納米棒。不過(guò),PVK/NRB薄膜的熒光淬滅程度要高于PVK/NRA薄膜,說(shuō)明前者異質(zhì)界面間的電荷轉(zhuǎn)移效率比后者更高。PVK/NRB薄膜中更為高效的電荷傳輸能力可能不僅是由于其中的SnO2納米棒陣列更為平整均勻,也可能與籽晶層的組分有關(guān)。從EDS圖譜(圖5(b))可以看出SLB籽晶層中不僅存在Sn和O兩種元素,還存在K元素(原子分?jǐn)?shù)為1.05%)。已有報(bào)道[19]指出K+能夠鈍化鈣鈦礦中的缺陷,提高SnO2/鈣鈦礦界面質(zhì)量,從而有助于電荷轉(zhuǎn)移。
圖5 鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光(PL)譜(a)和籽晶層SLB的EDS圖譜(b)
為分析不同籽晶層SnO2納米棒對(duì)器件性能的影響,本工作進(jìn)一步利用PVK/NRA和PVK/NRB制備電池器件,分別命名為PSC/NRA和PSC/NRB,器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖6(a)所示。圖6(b)為PSC/NRA和PSC/NRB的J-V曲線(xiàn),相應(yīng)的性能參數(shù)列于表1。由表1可知,PSC/NRB器件的平均效率達(dá)到(12.28±0.45)%,而PSC/NRA器件的平均效率僅為(8.86±0.44)%。通常,鈣鈦礦電池性能特別是短路電流密度(Jsc)主要取決于鈣鈦礦有源層對(duì)光子的吸收利用能力和電荷傳輸層對(duì)光生載流子的轉(zhuǎn)移傳輸能力。由前述結(jié)果已知NRB薄膜的納米棒排列規(guī)則平整,具有更高的透光率,有利于更多的光子被鈣鈦礦有源層吸收利用,而且在其上沉積得到的鈣鈦礦薄膜結(jié)晶質(zhì)量高,對(duì)光子的捕獲能力較強(qiáng),PVK/NRB界面接觸質(zhì)量良好,有利于光生電子的高效轉(zhuǎn)移,因此具有較高的Jsc。對(duì)于所制得的兩種籽晶層來(lái)說(shuō),由圖1可知,SLB比SLA有更好的覆蓋率,致密的籽晶層能夠避免鈣鈦礦層與FTO電極層的直接接觸,從而可減少漏電流,而且PVK/NRB薄膜的結(jié)晶質(zhì)量較高,內(nèi)部缺陷較少,因此PSC/NRB器件具有較高的開(kāi)路電壓(Voc)。另外,從表1可知,PSC/NRB相比PSC/NRA具有較低的串聯(lián)電阻(Rs)和較高的并聯(lián)電阻(Rsh),這也使得PSC/NRB具有較高的填充因子(FF)[12]。應(yīng)當(dāng)指出的是,本工作目前所制備的電池效率還相對(duì)較低,這可能主要是由于尚未對(duì)納米棒長(zhǎng)度等進(jìn)行優(yōu)化所致,進(jìn)一步的性能提升將在后續(xù)工作中開(kāi)展。
圖6 鈣鈦礦電池器件的結(jié)構(gòu)示意圖和性能參數(shù)
表1 PSC/NRA和PSC/NRB電池的光伏參數(shù)統(tǒng)計(jì)(數(shù)據(jù)源于5個(gè)器件)
遲滯效應(yīng)一直是鈣鈦礦電池存在的主要問(wèn)題之一,因此本工作利用遲滯因子(hysteresis factor)[20]比較研究了兩種電池的遲滯程度。圖6(c),(d)分別為PSC/NRA和PSC/NRB最優(yōu)器件的正反掃J-V曲線(xiàn),相應(yīng)的性能參數(shù)列于表2。可以看出PSC/NRA器件的遲滯因子為25%,而PSC/NRB器件的遲滯因子減小為18%。后者較小的遲滯因子表明以SnO2納米粒子膠體溶液為籽晶層前驅(qū)體的SnO2納米棒電子傳輸層能夠有效緩解電池的遲滯效應(yīng)。通常認(rèn)為,引起鈣鈦礦電池遲滯效應(yīng)的主要原因之一是電子傳輸層和空穴傳輸層對(duì)電子和空穴的轉(zhuǎn)移傳輸能力不平衡。Spiro-OMeTAD空穴傳輸層由于具有優(yōu)異的空穴傳輸能力并且可以與鈣鈦礦層形成良好的界面接觸,可以高效地轉(zhuǎn)移傳輸空穴[21];而常用的電子傳輸材料對(duì)光生電子的轉(zhuǎn)移傳輸能力相對(duì)較弱,造成電荷在鈣鈦礦/電子傳輸層界面處積累,引起了遲滯效應(yīng)。以NRB為電子傳輸層能夠有效緩解電池的遲滯效應(yīng)進(jìn)一步表明該電子傳輸層對(duì)光生電子的轉(zhuǎn)移傳輸能力較強(qiáng)。
表2 PSC/NRA和PSC/NRB電池的正反掃最優(yōu)性能參數(shù)
(1)通過(guò)比較研究不同籽晶層前驅(qū)體對(duì)SnO2納米棒生長(zhǎng)質(zhì)量和鈣鈦礦電池性能的影響,發(fā)現(xiàn)SnO2納米粒子膠體溶液相比SnCl2·2H2O溶液更易于形成致密的籽晶層,從而生長(zhǎng)出排列平整均勻的SnO2納米棒。沉積于以SnO2納米粒子為籽晶層的SnO2納米棒上的鈣鈦礦有源層具有更好的結(jié)晶質(zhì)量和更高的光吸收性能。
(2)形貌優(yōu)良的SnO2納米棒能夠與鈣鈦礦層形成良好的界面接觸,提高了電荷傳輸效率,器件最高效率達(dá)到12.93% 并且遲滯因子減小到18%。
(3)SnO2納米粒子膠體溶液是一種優(yōu)異的生長(zhǎng)SnO2納米棒薄膜的籽晶層材料,這為進(jìn)一步研究基于SnO2納米棒的高性能鈣鈦礦光伏器件奠定了一定基礎(chǔ)。