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摘要：钙钛矿太阳能电池因其低成本制造和快速发展的能量转换效率，在光伏中取得卓越的成就。钝化通常被定义为受外界环境影响较小的材料，已被证明是提高钙钛矿光伏器件效率和稳定性的最有效方法。采用合理的钝化策略直接消除缺陷或减少钙钛矿薄膜缺陷造成的损害，对于提高钙钛矿太阳能器件的性能至关重要。钝化材料中的阳离子会取代钙钛矿中空位形成低维钙钛矿。文章基于不同钝化材料，系统地探究了不同钝化层在钙钛矿表面形成低维钙钛矿的情况。实验证明PEAI、PPAI、PBAI、BAI、OAI和NMAI钝化层与钙钛矿层结合会形成低维钙钛矿，具有钝化层的钙钛矿薄膜增加对水的抵抗性能。
关键词：钙钛矿；钝化；低维钙钛矿
近年来，钙钛矿太阳能电池（PSCs）取得重大突破，稳态认证效率达到26.7%。钙钛矿太阳能电池具有高效率和制备成本低优点，其稳定性还需要进一步完善。钝化通常被定义为受外界环境影响较小的材料，已被证明是提高钙钛矿光伏器件效率和稳定性的最有效方法，无论是单结结构、串联结构，还是大面积模块。钙钛矿薄膜在高温下溶液加工和快速晶体生长的优势可能伴随着各种各样的缺陷，具体取决于前驱体成分和加工条件[1]。采用合理的钝化策略直接消除缺陷或减少钙钛矿薄膜缺陷造成的损害，对于提高PSC的性能至关重要。钝化钙钛矿薄膜表面最广泛使用的材料是具有烷基铵链、环状或芳香族的铵阳离子和通常卤素阴离子的铵配体盐。这些盐溶液中的铵阳离子可以通过A位空位与钙钛矿表面结合，在钙钛矿顶部形成一层薄分子层；在某些条件下，铵配体可以改变三维钙钛矿，取代A位形成低维钙钛矿结构[2]。
文章针对FA0.9Cs0.1PbI3无甲胺钙钛矿材料进行研究，FA基钙钛矿面临室温下相稳定性差的难题，易相变为光伏性能差的黄色非钙钛矿，引入Cs+形成FA-Cs钙钛矿（FA1-xCsxPbI3）可实现高效率和高稳定性。并且FA1-xCsxPbI3钙钛矿能避免MA阳离子的挥发和混合卤素离子（Br-I）引起的相分离的担忧。通过调整不同钝化材料在钙钛矿形成钝化层，探索钝化层对钙钛矿薄膜形成低维钙钛矿的影响，通过荧光光谱测试低维钙钛矿。
1实验流程
1.1实验药品
FAI、碘化铅（PbI2）、碘化铯（CsI）、spiro-OMeTAD、双三氟甲烷磺酰亚胺锂（Li-TFSI）、4-叔丁基吡啶（TBP）、SnO2胶体溶液、四亚甲基亚砜（TMSO）、氯苯（CB）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、2-苯乙胺氢碘酸盐（PEAI）、苯丙基碘化胺（PPAI）、苯丁基碘化铵（PBAI）、苯丁基碘化铵（BAI）、辛基碘化胺（OAI）、1-萘甲基碘化铵（NMAI）。
1.2实验器件制备步骤
ITO玻璃基板分别用清洁剂、去离子水、乙醇清洗20min；通过N2气体吹干导电玻璃；将导电玻璃紫外臭氧处理15min，以去除有机残留物。清洗紫外后，将SnO2胶体分散体用去离子水（体积比SnO:H2O=1:3）稀释，并添加聚乙二醇和曲拉通，3000rpm的速度沉积在ITO基板上30s，150℃退火30min，紫外臭氧处理15min。
FA0.9Cs0.1PbI3钙钛矿前体溶液的制备方法：PbI2、FAI和CsI加入溶剂TMSO和DMF中（体积比TMSO:DMF=1:9）；手套箱中使用旋涂仪，将钙钛矿吸收层涂覆到沉积的SnO2上，旋涂两个阶段：①1000rpm、5s；②4000rpm、30s，第二阶段采用气淬，第10s内将N2喷洒在湿膜上，将沉积的钙钛矿层在150℃退火20min[3]。
钝化层溶液：钝化材料与IPA溶液混合，5000rpm的速度沉积在钙钛矿层上30s。空穴传输层溶液：spiro-OMeTAD加入氯苯、Li-TFSI和TBP混合溶液中，4000rpm的速度沉积在钝化层上30s。最后，通过热蒸发制备约100nm的金电极。
1.3表征仪器
钙钛矿薄膜形貌图像由场发射扫描电子显微镜（inspectF50）获取、荧光光谱图由稳态光致发光（PL）（Edinburgh FLS 980）获取、接触角图由全自动接触角测定仪（OCA25）获取。
2结果与讨论
观察不同钝化剂在钙钛矿薄膜上的形貌，使用扫描电子显微镜对不同钝化剂的钙钛矿薄膜进行形貌分析，如图1所示。钝化材料溶解在IPA溶剂中，图1（a）为IPA涂在钙钛矿薄膜表面上，作为对照组。图1（b）为PEAI涂在钙钛矿薄膜表面上，薄膜形貌出现层片状，与IPA组对比，薄面表面有明显的覆盖层，说明PEAI钝化层生长在钙钛矿薄膜表面。图1（c）为PPAI涂在钙钛矿薄膜表面上，薄膜形貌出现层片状，钙钛矿薄膜有覆盖层，PPAI钝化层生长在钙钛矿薄膜表面；与PEAI组对比，层片状形态没有那么明显，更多在晶粒上出现台阶状。图1（d）PBAI涂在钙钛矿薄膜表面上，大部分薄膜形貌出现层片状，与IPA组对比，PBAI钝化层生长在钙钛矿薄膜表面。图1（e）OAI涂在钙钛矿薄膜表面上，薄膜未出现层片状，与IPA组对比，薄膜显得模糊，没有IPA组晶界明显。图1（f）NMAI涂在钙钛矿薄膜表面上，薄膜没有出现层片状，与IPA组对比，晶粒没有那么规整生长，晶粒表面没有明显的晶界。
采用不同钝化剂处理钙钛矿薄膜会有不同的结果，接下来从稳态瞬态荧光光谱仪（PL）测试不同钝化剂对钙钛矿薄膜的入侵。PEAI、PPAI和PBAI钝化材料处理钙钛矿薄膜的情况，如图2所示。PEAI涂在钙钛矿薄膜上，在500~550nm处形成n1峰咱4暂、在550~600nm处形成n2低维钙钛矿峰、在600~650nm处形成少量的n3低维钙钛矿峰；随着钝化剂在钙钛矿薄膜表面上时间增加，低维钙钛矿的峰值强度增加。PPAI涂在钙钛矿薄膜上，在550~600nm处形成n2峰、在600~650nm处形成少量的n3低维钙钛矿峰，和PEAI组对比没有出现n1的低维钙钛矿峰；随着钝化剂在钙钛矿薄膜表面上时间增加，低维钙钛矿的峰值强度降低。PBAI涂在钙钛矿薄膜上，在550~600nm处形成n2和600~650nm处形成n3低维钙钛矿峰，和PEAI组对比没有出现n1的低维钙钛矿峰；随着钝化剂在钙钛矿薄膜表面上时间增加，低维钙钛矿的峰值强度基本上保持不变。
如图3所示，BAI涂在钙钛矿薄膜上，在550~600nm处形成n2低维钙钛矿峰、在600~650nm处形成的n3低维钙钛矿峰和650~700nm处形成的n4低维钙钛矿峰。随着钝化剂在钙钛矿薄膜表面上时间增加，n2的低维钙钛矿的峰值强度减弱，n3的低维钙钛矿的峰值强度减弱，n3的低维钙钛矿的峰值强度增强，低维钙钛矿向高n值的钙钛矿进行转变。OAI涂在钙钛矿薄膜上，在500~550nm处形成n1峰、在550~600nm处形成n2低维钙钛矿峰、在600~650nm处形成n3低维钙钛矿峰；随着钝化剂在钙钛矿薄膜表面上时间增加，n1的低维钙钛矿的峰值强度先增加后减弱，n2的低维钙钛矿的峰值强度先增加后略微减弱，n3的低维钙钛矿的峰值强度略微减弱。NMAI涂在钙钛矿薄膜上，形成了n1低维钙钛矿峰，低维钙钛矿相形成较少，可能与NMAI自身性质有关，2D相生成焓高，导致难以形成低维钙钛矿相。
对比将H2O溶液滴在不同钙钛矿钝化层上接触角的结果，如图4所示，未处理的PVK薄膜接触角为56.7毅，PEAI钝化后的PVK薄膜接触角为68.5毅，PPAI钝化后的PVK薄膜接触角为72.3毅，PBAI钝化后的PVK薄膜接触角为68.4毅，OAI钝化后的PVK薄膜接触角为77.1毅，NMAI钝化后的PVK薄膜接触角为75.7毅。接触角的增大说明PVK薄膜表面的疏水性更强，有利于抵御外界水分的入侵，从而提升PVK薄膜的湿度稳定性。
薄膜通过镀金电极，形成钙钛矿太阳能电池，可以对其转化效率进行J-V测试。结构为：ITO/SnO2/FA0.9 Cs0.1PbI3/钝化层/spiro-OMeTAD/Au（Ag），如图5所示，C为单独的钙钛矿，没有钝化层的钙钛矿太阳能电池，C的平均电流密度为24.4mA/cm2，NMAI的平均电流密度为25.0mA/cm2，BAI的平均电流密度为24.8mA/cm2，OAI的平均电流密度为24.6mA/cm2，PBAI的平均电流密度为24.6mA/cm2，PEAI的平均电流密度为25.2mA/cm2，平均的电流密度（JSC）是钝化层薄膜都会大于未钝化的钙钛矿组。平均的开路电压（VOC）是钝化层薄膜都会大于未钝化的钙钛矿组；填充因子呈现起伏，可能是钝化材料绝缘性引起，OAI钝化剂的转化效率相比于标件来说是提高最多的，其他钝化层的钙钛矿太阳能电池效率有略微提高，主要是因为VOC和JSC的增长让其效率涨幅，说明钝化层可以钝化缺陷，提高钙钛矿太阳能电池的效率。
3结论
通过对不同钙钛矿钝化层的探索，系统地研究其钝化材料在钙钛矿薄膜表面生成低维钙钛矿的情况，观察其不同的表面形貌。发现PEAI、PPAI、PBAI、BAI和OAI钝化层都会和钙钛矿层形成低维钙钛矿；NMAI形成比较微弱的低维钙钛矿。钝化层可以增强抗水侵入钙钛矿的过程，同时钝化层可以钝化缺陷，提高电池的效率。
参考文献
［1］陈子靖.基于界面修饰的高性能钙钛矿太阳能电池研究［D］.北京：中国科学院大学（中国科学院物理研究所），2024.
［2］李跃鹏.准二维钙钛矿太阳能电池吸光层的相调控及修饰研究［D］.成都：西南石油大学，2020.
［3］张萌.气淬制备钙钛矿薄膜及其光伏器件稳定性的改善［C］//中国可再生能源学会光化学专业委员会，第九届新型太阳能材料科学与技术学术研讨会论文集，2022：1.
［4］Li J，Jin C，Jiang R，et al.Homogeneous coverage of the low-dimensional perovskite passivation layer for formamidinium-caesium perovskite solar modules［J］.Nature Energy，2024（12）：1540-1550.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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FA0.9Cs0.1PbI3钙钛矿表面低维钝化层的研究论文
人参与 2025-04-12 11:53:07 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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