基于ZnO- SiO2 为电子传输层的全无机钙钛矿太阳能电池

张岩鹰

（哈尔滨师范大学，黑龙江 哈尔滨150500)

1 概述

近年来，随着传统化石能源面临着逐渐枯竭和严重的环境污染问题，清洁能源的开发与利用更加迫在眉睫。太阳能作为清洁能源的重要来源之一：具有来源广、污染小等优点[1]，其中钙钛矿作为新兴的太阳能电池在近几年的发展中快速达到较高的光电转换效率23%[2]，但其滞后性和稳定性一直未得到改进[3]，主要原因是界面载流子复合以及界面与界面之间存在缺陷。典型的钙钛矿太阳能电池主要是由电子传输层，钙钛矿层以及空穴传输层构成[4]。其中ZnO 因具有直接宽禁带、高电子迁移率和透明导电性等特点被广泛应用于电子传输层，但ZnO 表面的羟基和氧空位等缺陷导致电池严重不稳定性和能量损失[5]。本实验采用SiO2水解的方法有效的钝化了ZnO, 由改良后的ZnO构成的钙钛矿太阳能电池具有增强的开路电压，短路电流，填充因子并且实现了12.42%的光电转换效率。

2 实验

2.1 电池组装：依此使用玻璃清洗剂，去离子水，丙酮，异丙醇超声清洗每次10min，氮气吹干后臭氧处理15min。ZnO 前体溶液是根据文献制备[6]，将其以4000rpm 30s 的速度旋涂到ITO玻璃上，在200℃的空气中退火20 分钟。将基板转移到呈有水解溶液的玻璃培养皿中，在烘箱25℃的条件下浸泡所需时间后用乙醇冲洗并吹干，在200℃的空气中退火30min，然后将基板转移到氮气手套箱中。将钙钛矿溶液以3000rpm 40s 的速度旋涂到基底上并在270℃的温度下退火10 分钟。将PTAA 溶液（溶于氯苯中10mg/mL）以2500rpm 40s 的速度旋涂到钙钛矿层上。最后通过真空计蒸发MoO3（6nm）和Ag（80nm）到PTAA 上。电池的有效面积是4mm2。

2.2 钙钛矿溶液的合成：将0.3mmoLCsI,0.3mmoLPbI2,0.1mmoLPbBr2和0.1mmoLCsBr 加入到1mL 的DMF 和DMSO 的混合溶液中(体积比为4：1),手套箱中60℃下磁力搅拌一夜，直至溶液呈透明黄色溶液。

2.3 水解溶液的合成：取16mL 的无水乙醇加入4mL 去离子水，200uL 正硅酸乙酯和80uL 氨水，共同放到50mL 蓝口瓶中，常温下放在磁力搅拌器下搅拌10h。

3 结果与讨论

用扫描电子显微镜（SEM）研究CsPbI2.25Br0.75薄膜的形貌。通过图1a 可以清楚看到形成的晶粒有大有小不规整，而图1b 中经过SiO2修饰的ZnO 上形成了具有较大晶粒的CsPbI2.25Br0.75晶体膜，对于钙钛矿晶体来说晶粒尺寸的增加导致晶粒边界更少，从而减少了电荷复合，并且经过SiO2修饰的ZnO 上的钙钛矿薄膜更加平整，从图2d 中可以看出整个电池具有较理想的平整性，当浸泡时间为3 分钟时SiO2 的修饰达到最理想的状态使得整个电池获得最高的光电转化效率。通过对CsPbI2.25Br0.75薄膜进行紫外可见吸收光谱测试如图2(a)，CsPbI2.25Br0.75薄膜的Tauc 曲线如图2(b)所示，表明带隙为1.87eV。通过查阅文献可知SiO2修饰过的ZnO 的导带较高与CsPbI2.25Br0.75的导带匹配良好，这可以减少从钙钛矿到ZnO 的电子转移过程中的能量损失，从而获得更高的光电转化效率。图3 为基于不同电子传输层的电池J-V 曲线。当ZnO 单独作为电子传输层时电池展现出较低的光电转化效率为9.9%，短路电流18.49mA/cm2，开路电压0.97V，填充因子仅为54.24。电池效率较低的原因主要是由于晶界表面存在大量缺陷，导致载流子发生复合。当使用SiO2钝化后的ZnO-SiO2为电子传输层时，界面复合大大减少，不同程度上提高了整个电池的光电转化效率，其中当浸泡时间为3 分钟时获得最高的光电转化效率12.42%，短路电流也提升到19.37mA/cm2，开路电压提升到1.02V，填充因子也上升为66.53。提升的原因不仅是因为修饰后再旋涂的钙钛矿晶粒变大，表面更平整，同时也修饰了界面与界面间的接触，在能级更加匹配的基础上大大的减少了能量损失和电子复合从而获得了更高的光电转化效率。

4 结论

本实验通过利用SiO2修饰ZnO 作为电子传输层从而提高了电池的光电转化效率。在纯ZnO 作为电子传输层得到的电池效率9.9%的基础上提升了大约25%。该实验方法不仅修饰了电子传输层以及界面间的缺陷同时也使得电子传输层与钙钛矿之间的能级更加匹配，为优化电子传输层提供了新思路。

图1(a)zno/钙钛矿的表面扫描电镜图像，(b)Zno/SiO2/钙钛矿的表面扫描电镜图像，(c)模拟的电池结构示意图，（d）整个电池截面的扫描电镜图像

图2(a)CsPbI2.25Br0.75 的紫外吸收光谱，（b）CsPbI2.25Br0.75 的能带

图3 基于不同电子传输层的电池J-V 曲线