氯化銫摻雜氧化錫電子傳輸層提升鈣鈦礦太陽能電池光電性能

蔡旭東，朱培龍，晏廣元，劉 瑞，于 華

（西南石油大學 新能源與材料學院，四川成都 610500）

有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）憑借其光電性能優異、原材料價格低廉和制備工藝簡單等特點，得到了廣泛的研究。氧化錫（SnO2）由于合適的能級、高透過率和化學穩定性好等優點而被廣泛用作PSCs 的電子傳輸層（ETL）。然而SnO2自身固有的一些特性對PSCs 器件的性能造成了影響，對此本工作采用堿金屬鹵化物氯化銫（CsCl）摻雜SnO2ETL 提升其光電性能，同時摻雜還能降低ETL/鈣鈦礦（PVK）界面缺陷密度，最終獲得了光電性能更好的PSCs 器件。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與設備

實驗材料：碘化鉛，氯化鉛，碘化銫，碘化甲脒，溴化甲胺，氯化甲胺，spiro-OMeTAD，雙三氟甲基磺酰亞胺鋰，4-叔丁基吡啶，乙腈，N, N 二甲基甲酰胺，二甲基亞砜，氯苯，異丙醇，氯化銫，氧化錫15%水膠體分散液，銦摻氧化錫（ITO）導電玻璃。

實驗設備：超聲清洗機，電子天平，加熱臺，勻膠機，手套箱，真空干燥箱，真空蒸鍍設備。

1.2 鈣鈦礦太陽能電池制備

采用兩步法制備Glass/ITO/（CsCl-）SnO2/（FA0.7MA0.3）0.935Cs0.065Pb（I0.89Br0.11）3/spiro-OMeTAD/Ag 結構的PSCs 器件[1]，配制摻雜濃度為 3 mg/mL的CsCl-SnO2ETL 作為變量進行研究。

1.3 鈣鈦礦太陽能電池的測試和表征

SEM 形貌圖由美國FEI 公司的KYKY-EM8000掃描電子顯微鏡獲得。AFM 形貌圖由安捷倫科技公司的AFM7500原子力顯微鏡獲得。I-V和J-V特性曲線由光焱科技有限公司B2901A 源表測得，并采用恩力科技有限公司的1.5 G 光譜的SS-F5-3A 模擬器模擬太陽光源，使用硅電池將太陽模擬器的光強度校準為100 mW/cm2進行測試。

2 結果與分析

2.1 氧化錫薄膜的表征分析

通過掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）探究CsCl 摻雜對SnO2薄膜表面形貌的影響，圖1（a）、（b）顯示了原始和CsCl 摻雜SnO2薄膜在掃描電子顯微鏡下的頂視圖，可以看到CsCl 摻雜對SnO2薄膜表面形貌的影響很小，且二者均能在ITO 玻璃襯底上形成良好的覆蓋。由圖1（c）、（d）的原子力顯微鏡形貌圖可以發現，CsCl 摻雜后SnO2薄膜的表面粗糙度（RMS）從1.35 nm 降至0.72 nm，更光滑的表面有利于后續鈣鈦礦前驅體溶液與SnO2薄膜形成更好的接觸，有利于高質量鈣鈦礦薄膜的形成。

圖1 原始和摻雜SnO2薄膜掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡形貌

制備結構為ITO/ETL/Ag 的器件進行I-V（短路電流-開路電壓）特性曲線測試探究摻雜前后SnO2薄膜電導率的變化，通過公式（1）計算不同SnO2薄膜的電導率，式中I/V是I-V曲線斜率，L是SnO2薄膜厚度，A是器件有效面積，計算結果見表1。測試結果表明，CsCl 摻雜能有效提高SnO2ETL 的電導率，有利于SnO2ETL/PVK 界面上的電荷傳輸，使得器件的短路電流密度提升，如圖2所示。

圖2 ITO/ETL/Ag結構的原始和摻雜SnO2電子傳輸層電流-電壓特性曲線

2.2 電子傳輸層/鈣鈦礦層界面缺陷密度研究

制備結構為ITO/（CsCl-）SnO2/PVK/PCBM/Ag的純電子傳輸層器件，探究CsCl 摻雜對ETL/PVK 界面缺陷密度的影響，空間電荷限制電流（SCLC）測試結果如圖3（a）、（b）所示。缺陷密度Ntrap根據公式（2）計算得到，式中ε0為真空介電常數，εr是鈣鈦礦相對介電常數，VETL是歐姆區域和TFL 區域線性擬合交點的橫坐標值，e為單位電荷，L為鈣鈦礦薄膜厚度，計算結果見表2。CsCl 摻雜后，Ntrap由2.01×1015cm-3下降到1.67×1015cm-3，這是因為摻雜的Cs 離子和Cl 離子鈍化了SnO2ETL/PVK 界面處空位缺陷，使得界面處缺陷密度降低。

表2 原始和摻雜純電子傳輸層器件缺陷密度計算結果

圖3 原始和摻雜器件空間電荷限制電流測試

2.3 鈣鈦礦太陽能電池的性能分析

為了驗證CsCl 摻雜SnO2ETL 對PSCs 器件性能的優化效果，對原始和摻雜PSCs 器件進行J-V（短路電流密度-開路電壓）測試，最佳效率電池的J-V曲線如圖4所示。CsCl摻雜后，PSCs 器件的VOC由1.146V提升至1.152V，JSC由22.83mA/cm2提升至23.49 mA/cm2，FF 由80.5% 提 升 至81.83%，PCE 由21.07%提升至22.16%，CsCl 摻雜使PSCs 各項光電性能參數得到提升。利用公式（3）計算器件的遲滯因子（HI），發現CsCl 摻雜使器件的HI 由9%降至7.7%，表明器件內部的離子遷移得到抑制，這可以歸因于器件ETL/PVK 界面缺陷濃度的降低。

圖4 正反向掃描測量的PSCs的電流-電壓特性曲線

3 結束語

通過CsCl 摻雜SnO2ETL，探索摻雜ETL 提升PSCs 光電性能的機理。在摻雜CsCl 后，SnO2薄膜表面粗糙度降低，電導率提升，同時ETL/PVK 界面缺陷密度降低，有利于PSCs 器件光電性能的提升。最終，PSCs 器件的JSC提升至23.49 mA/cm2，最佳PCE提升至22.16%。這項工作揭示了CsCl 摻雜SnO2ETL提升PSCs 器件光電性能的優化機理。