CsPbIxBr3-x钙钛矿太阳能电池的制备与性能研究

哈尔滨师范大学 宿芳芳

近年来，在钙钛矿太阳能电池方面的研究速度越来越快，电池效率也表现出显著优势，其认证的电池转换效率已达到超过23%。由于传统化石燃料的大量使用，其造成的环境问题越来越受到人们的重视，所以开发高效新型绿色能源成了主要的关注焦点。目前，由铯基（Cs+）组成的无机钙钛矿太阳能电池受到越来越多的关注，其显著优异的性能也一次次被表征。在本次主要工作中，我们通过实验探究报告了一种基于CsPbIxBr3-x(x=2或2.25)钙钛矿薄膜的全无机钙钛矿太阳能电池的性质，通过增加碘（I）的含量探究电池性质，改变了钙钛矿薄膜形态，提高了短路电流，开路电压，填充因子，产生11.16%的最佳效率。

当今社会，新型绿色能源的利用率依旧相对较低，占总能源消耗比例不到5%，因此开发新型绿色清洁能源迫在眉睫。太阳能作为我们生活中的重要绿色能源，具有来源广，可再生等诸多优点，我国陆地面积较大，太阳能资源丰富，可以利用面积相对较多，太阳能资源的利用前景十分具有期待性。近年来，钙钛矿材料越来越受到关注，一种新兴的钙钛矿太阳能电池受到科研工作者的追捧。钙钛矿太阳能电池作为一种高效能源受到广泛关注，其在近几年的研究发展中光电转换效率发展相对较快，最高的可以达到 25%以上，表现出显著的优势，受到大家的广泛关注。本次实验，文章中主要探究了不同CsPbIxBr3-x钙钛矿薄膜下的全无机钙钛矿太阳能电池的表征与性质，文章中主要叙述了增加碘的含量之后电池的各项表征，探究了碘含量不同后电池性质的一些变化，通过性质改善，我们使电池的短路电流，开路电压，填充因子都有了明显的提高，从而达到了 11.16%的较高效率。

图1 (a)SnO2表面扫描电镜图，(b)SnO2/CsPbI2Br的表面扫描电镜图，(c)SnO2/CsPbI2.25Br0.75的表面扫描电镜图

1 实验

1.1 电池的组装

（1）ITO基底：ITO基底放入玻璃清洗剂，去离子水，丙酮，异丙醇中，按先后顺序分别用超声机超声清洗15 min，之后用镊子夹住片子用氮气枪吹干后臭氧处理15 min。

（2）SnO2胶体前体溶液：用购买的SnO2胶体与去离子水以1:4配比制成胶体溶液，随后将其超声5 min，溶液以3000 rpm30 s的速度旋涂到ITO玻璃上，然后在150℃的空气中退火30 min。

（3）两种钙钛矿溶液：均以3000 rpm40 s的速度旋涂到SnO2基底上，后分别在260℃，280℃的温度下烘烤40 s，之后退火10 min。

（4）PTAA溶液：以氯苯为溶剂，以10 mg/mL配比比例制备制的PTAA溶液，将PTAA溶液的旋涂转数时间分别为2500rpm40s，旋涂后将片子擦边漏出ITO电极，之后将片子在热盘上100℃退火5min。

（5）MoO3和Ag的蒸镀：通过真空计蒸发MoO3（～12nm）和Ag（～80 nm）到PTAA上。

（电池的有效面积是4mm2。）

1.2 两种钙钛矿溶液的合成

CsPbI2Br溶液：将摩尔比为0.8：0.5：0.3的CsI，PbI2，PbBr2溶解在混合溶剂中DMF/DMSO（4：1，v/v）手套箱中60℃下磁力搅拌过夜。CsPbI2.25Br0.75溶液：将摩尔比为0.8：0.4：0.4的CsI，PbI2，PbBr2溶解在混合溶剂中DMF/DMSO（4：1，v/v）手套箱中60℃下磁力搅拌过夜。

2 结果与讨论

器件整体结构为（ITO/SnO2/CsPbIxBr3-x/PTAA/MoO3/Ag)，通过查阅文献可知，各材料薄膜之间能级匹配，有利于电荷在垂直器件的的整体传输，电池结构与理论基础相符合。在本次实验中，传输层SnO2薄膜的形貌状态用得是扫描电子显微镜（SEM）研究表征。

图2 (a)CsPbI2Br的X射线衍射图像，(b)CsPbI2.25Br0.75的X射线衍射图像，(c)CsPbI2Br和CsPbI2.25Br0.7的紫外吸收光谱

图1所示是电子传输层SnO2，SnO2/CsPbI2Br，SnO2/CsPbI2.25Br0.75的表面扫描电镜图。通过图1(a)可以看出电子传输层SnO2胶体薄膜晶粒整体分布均匀，薄膜较为平整，有利于减小界面载流子复合，有利于电池垂直结构的构建。通过查阅文献可知SnO2的导带与CsPbI2Br和CsPbI2.25Br0.75的导带匹配都良好，与CsPbI2Br相比CsPbI2.25Br0.75带隙更窄，能带与SnO2更为匹配，理论上可以表现出更高的性能。接下来用扫描电子显微镜（SEM）观察钙钛矿薄膜的形貌如图1(b)，图1(c)所示，两种钙钛矿薄膜整体较为平整，实验中通过I含量增加，图1(c)中CsPbI2.25Br0.75薄膜晶粒整体变大，晶界相对图1(b)中CsPbI2Br薄膜变少，这都有利于减少载流子复合，更有利于电荷的双向传输。I含量增加后，晶粒增大，晶界减少，不利于电荷发生复合，有利于电池整体性质的提高。

图2表征的是X射线衍射测试（XRD）和紫外可见吸收光谱测试，图2(a)是CsPbI2Br的X射线衍射图像，(b)是CsPbI2.25Br0.75的X射线衍射图像，(c)是CsPbI2Br和CsPbI2.25Br0.7的紫外吸收光谱。随着I含量增加钙钛矿薄膜的整体物质结构没有发生明显变化，这点从图中观察到，如图2(a)，图2(b)所示。但是在提高了I含量的情况下，两个XRD衍射峰强度有些变化，并且相对变化明显，这表明钙钛矿薄膜上晶粒的大小和薄膜厚度发生了变化。另外，实验对两种钙钛矿薄膜进行紫外可见吸收光谱测试，我们对数据进行了归一化处理，如图2(c)所示，可以看出，与CsPbI2Br相比，CsPbI2.25Br0.75的吸收边明显红移，这使得电池增加了吸光范围，有利于电池性质的提高。

图3 基于不同钙钛矿薄膜的电池J-V曲线及参数图表

图3所示是对两种钙钛矿薄膜下电池效率的J-V曲线测试。测试电池J-V曲线后，比较两种碘含量薄膜下电池的各项参数，发现电池的开路电压，短路电流，填充因子都有所提高。最高的光电转化效率达到11.16%，此时短路电流为16.74 mA/cm2，开路电压提升到1.03V，填充因子为60.95，如图3所示。综上所述，发现电池性能的提升一方面是由于增大了钙钛矿薄膜晶粒尺寸，晶界变少，避免了电荷发生复合，另一方面是由于吸收边发生红移，电池的吸光范围得到了拓宽，从而获得了更高的电池效率。

结论：本实验主要探究了在钙钛矿层为CsPbI2Br的基础上，碘含量增加后钙钛矿薄膜形态的变化和对电池效率的影响。实验首先用电子显微镜扫描了电子传输层SnO2的表面形貌，在确保表面平整，有利于电池垂直结构构建的基础上，旋图了两种钙钛矿薄膜在SnO2基底上，通过扫描电镜发现I含量增加后，增大了钙钛矿薄膜晶粒尺寸，减少了晶界，另外又对两种碘含量的薄膜进行了紫外吸收光谱测试，发现I含量增加后，器件的吸收边发生了明显的红移，这表明器件吸收光的范围增大，这对电池的性能提高有很大的帮助。通过实验发现，电池在原CsPbI2Br薄膜下效率为10.85%，通过提高碘的含量，提高了晶粒的大小，晶界明显变少，吸光范围得到拓宽，从而提高了电池的短路电流，开路电压，填充因子，在CsPbI2.25Br0.75薄膜下获得11.16%的较高效率，为之后无机钙钛矿薄膜的选择奠定了基础，提供了切实可行的实施方案。