SnO2表面卤化提高钙钛矿太阳能电池光伏性能

王云飞 刘建华 于美 钟锦岩 周琪森 邱俊明 张晓亮

引用本文: 王云飞, 刘建华, 于美, 钟锦岩, 周琪森, 邱俊明, 张晓亮. SnO2表面卤化提高钙钛矿太阳能电池光伏性能[J]. 物理化学学报, 2021, 37(3): 200603. doi: 10.3866/PKU.WHXB202006030 shu
Citation:  Wang Yunfei, Liu Jianhua, Yu Mei, Zhong Jinyan, Zhou Qisen, Qiu Junming, Zhang Xiaoliang. SnO2 Surface Halogenation to Improve Photovoltaic Performance of Perovskite Solar Cells[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2021, 37(3): 200603. doi: 10.3866/PKU.WHXB202006030 shu

SnO2表面卤化提高钙钛矿太阳能电池光伏性能

    通讯作者: 张晓亮, xiaoliang.zhang@buaa.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(51872014)和中央高校基本科研业务费专项资金(YWF-20-BJ-J-637)资助项目

摘要: 钙钛矿太阳能电池(PSCs)成为近几年来迅速发展的新型太阳能电池,其中将SnO2纳米粒子层用作电子传输层(ETL)的钙钛矿太阳能电池器件得到了广泛的关注。SnO2有着更低的制备温度,使其具备应用于柔性器件的潜力,但与钙钛矿层能级不匹配等问题限制着其发展。而在界面处加入钝化层,尤其是表面卤化的方法或可解决这一问题。本文综合研究了SnO2表面卤化对钙钛矿太阳能电池光伏性能的影响,选用四丁基氯化铵(TBAC)、四丁基溴化铵(TBAB)和四丁基碘化铵(TBAI)三种钝化材料对SnO2表面进行钝化处理,并对钝化材料溶液进行了浓度梯度研究。通过材料形貌、结构和光学性能表征以及电池器件性能测试分析等方法,证明了SnO2表面卤化可提高钙钛矿层的质量和PSCs光伏性能,并从器件内部电荷传输动力学等角度解释了器件性能改善的原因。为进一步说明其性能改善的机理,采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法对材料表面性质进行了深入研究,从能量、结构、电荷密度、态密度、功函数等角度解释了表面卤化提高SnO2/钙钛矿界面处电子传输特性的原因。实验和理论计算均表明TBAC对于SnO2具有较好的钝化效果,并随着溶液浓度的提升钝化作用越明显。SnO2表面卤化作用的深入研究不仅对提高电池器件性能具有实际意义,还能够帮助理解太阳能电池界面现象,为界面改性提供新的研究思路。

English

    1. [1]

      Kojima, A.; Teshima, K.; Shirai, Y.; Miyasaka, T. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131 (17), 6050. doi: 10.1021/ja809598r

    2. [2]

      https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html (Accessed on 11 December 2019).

    3. [3]

      Sun, S.; Salim, T.; Mathews, N.; Duchamp, M.; Boothroyd, C.; Xing, G.; Sum, T. C.; Lam, Y. M. Energy Environ. Sci. 2014, 7 (1), 399. doi: 10.1039/C3EE43161D

    4. [4]

      Stranks, S. D.; Eperon, G. E.; Grancini, G.; Menelaou, C.; Alcocer, M. J. P.; Leijtens, T.; Herz, L. M.; Petrozza, A.; Snaith, H. J. Science 2013, 342, 341. doi: 10.1126/science.1243982

    5. [5]

      Miyata, A.; Mitioglu, A.; Plochocka, P.; Portugall, O.; Wang, J. T. W.; Stranks, S. D.; Snaith, H. J.; Nicholas, R. J. Nat. Phys. 2015, 11, 582. doi: 10.1038/nphys3357

    6. [6]

      Lin, Q.; Armin, A.; Nagiri, R. C. R.; Burn, P. L.; Meredith, P. Nat. Photon. 2014, 9, 106. doi: 10.1038/nphoton.2014.284

    7. [7]

      Baikie, T.; Fang, Y.; Kadro, J. M.; Schreyer, M.; Wei, F.; Mhaisalkar, S. G.; Grätzel, M.; White, T. J. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 5628. doi: 10.1039/c3ta10518k

    8. [8]

      Chen, J.; Park, N. G. Adv. Mater. 2018, 31 (47), 1803019. doi: 10.1002/adma.201803019

    9. [9]

      Tress, W.; Marinova, N.; Inganas, O.; Nazeeruddin, M. K.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M. Adv. Energy Mater. 2015, 5 (3), 6. doi: 10.1002/aenm.201400812

    10. [10]

      Wang, N.; Zhao, K.; Ding, T.; Liu, W.; Ahmed, A. S.; Wang, Z.; Tian, M.; Sun, X. W.; Zhang, Q. Adv. Energy Mater. 2017, 7 (18), 1700522. doi: 10.1002/aenm.201700522

    11. [11]

      Peng, J.; Wu, Y.; Ye, W.; Jacobs, D. A.; Shen, H.; Fu, X.; Wan, Y.; Duong, T.; Wu, N.; Barugkin, C.; et al. Energy Environ. Sci. 2017, 10 (8), 1792. doi: 10.1039/c7ee01096f

    12. [12]

      Zhou, H.; Chen, Q.; Li, G.; Luo, S.; Song, T. B.; Duan, H. S.; Hong, Z.; You, J.; Liu, Y.; Yang, Y. Science 2014, 345 (6196), 542. doi: 10.1126/science.1254050

    13. [13]

      Tan, H. R.; Jain, A.; Voznyy, O.; Lan, X. Z.; de Arquer, F. P. G.; Fan, J. Z.; Quintero-Bermudez, R.; Yuan, M. J.; Zhang, B.; Zhao, Y. C.; et al. Science 2017, 355 (6326), 722. doi: 10.1126/science.aai9081

    14. [14]

      Christians, J. A.; Schulz, P.; Tinkham, J. S.; Schloemer, T. H.; Harvey, S. P.; de Villers, B. J. T.; Sellinger, A.; Berry, J. J.; Luther, J. M. Nat. Energy 2018, 3 (1), 68. doi: 10.1038/s41560-017-0067-y

    15. [15]

      Li, Y.; Zhu, J.; Huang, Y.; Liu, F.; Lv, M.; Chen, S.; Hu, L.; Tang, J.; Yao, J.; Dai, S. RSC Adv. 2015, 5 (36), 28424. doi: 10.1039/C5RA01540E

    16. [16]

      Ke, W.; Fang, G.; Liu, Q.; Xiong, L.; Qin, P.; Tao, H.; Wang, J.; Lei, H.; Li, B.; Wan, J.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137 (21), 6730. doi: 10.1021/jacs.5b01994

    17. [17]

      Jiang, Q.; Zhang, L. Q.; Wang, H. L.; Yang, X. L.; Meng, J. H.; Liu, H.; Yin, Z. G.; Wu, J. L.; Zhang, X. W.; You, J. B. Nat. Energy 2017, 2 (1), 1. doi: 10.1038/Nenergy.2016.177

    18. [18]

      Jung, K. H.; Seo, J. Y.; Lee, S.; Shin, H.; Park, N. G. J. Mater. Chem. A 2017, 5 (47), 24790. doi: 10.1039/c7ta08040a

    19. [19]

      Xiong, L. B.; Guo, Y. X.; Wen, J.; Liu, H. R.; Yang, G.; Qin, P. L.; Fang, G. J. Adv. Funct. Mater. 2018, 28 (35), 1802757. doi: 10.1002/adfm.201802757

    20. [20]

      Liu, X.; Tsai, K.W.; Zhu, Z.; Sun, Y.; Chueh, C. C.; Jen, A. K. Y. Adv. Mater. Interfaces 2016, 3 (13). doi: 10.1002/admi.201600122

    21. [21]

      Bu, T. L.; Li, J.; Zheng, F.; Chen, W. J.; Wen, X. M.; Ku, Z. L.; Peng, Y.; Zhong, J.; Cheng, Y. B.; Huang, F. Z. Nat. Commun. 2018, 9, 4609. doi: 10.1038/s41467-018-07099-9

    22. [22]

      Xie, J.; Huang, K.; Yu, X.; Yang, Z.; Xiao, K.; Qiang, Y.; Zhu, X.; Xu, L.; Wang, P.; Cui, C.; Yang, D. ACS Nano 2017, 11 (9), 9176. doi: 10.1021/acsnano.7b04070

    23. [23]

      Wang, C.; Zhao, D.; Grice, C. R.; Liao, W.; Yu, Y.; Cimaroli, A.; Shrestha, N.; Roland, P. J.; Chen, J.; Yu, Z.; et al. J. Mater. Chem. A 2016, 4 (31), 12080. doi: 10.1039/c6ta04503k

    24. [24]

      Tao, C.; Neutzner, S.; Colella, L.; Marras, S.; Kandada, A. R. S.; Gandini, M.; De Bastiani, M.; Pace, G.; Manna, L.; Caironi, M.; et al. Energy Environ. Sci. 2015, 8 (8), 2365. doi: 10.1039/c5ee01720c

    25. [25]

      Yang, D.; Yang, R. X.; Wang, K.; Wu, C. C.; Zhu, X. J.; Feng, J. S.; Ren, X. D.; Fang, G. J.; Priya, S.; Liu, S. Z. Nat. Commun. 2018, 9, 3239. doi: 10.1038/s41467-018-05760-x

    26. [26]

      Choi, K.; Lee, J.; Kim, H. I.; Park, C. W.; Kim, G.W.; Choi, H.; Park, S.; Park, S. A.; Park, T. Energy Environ. Sci. 2018, 11 (11), 3238. doi: 10.1039/C8EE02242A

    27. [27]

      Liu, X.; Zhang, Y.; Shi, L.; Liu, Z.; Huang, J.; Yun, J. S.; Zeng, Y.; Pu, A.; Sun, K.; Hameiri, Z.; et al. Adv. Energy Mater. 2018, 8 (20), 1800138. doi: 10.1002/aenm.201800138

    28. [28]

      Liu, Z.; Deng, K.; Hu, J.; Li, L. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58 (33), 11497. doi: 10.1002/anie.201904945

    29. [29]

      Qiao, H. W.; Yang, S.; Wang, Y.; Chen, X.; Wen, T. Y.; Tang, L. J.; Cheng, Q.; Hou, Y.; Zhao, H.; Yang, H. G. Adv. Mater. 2019, 31 (5), 1804217. doi: 10.1002/adma.201804217

    30. [30]

      Zhang, B.; Su, J.; Guo, X.; Zhou, L.; Lin, Z.; Feng, L.; Zhang, J.; Chang, J.; Hao, Y. Adv. Sci. 2020, 7 (11), 1903044. doi: 10.1002/advs.201903044

    31. [31]

      Kresse, G.; Furthmüller, J. Comput. Mater. Sci. 1996, 6 (1), 15. doi: 10.1016/0927-0256(96)00008-0

    32. [32]

      Blöchl, P. E.; Först, C. J.; Schimpl, J. Bull. Mater. Sci. 2003, 26 (1), 33. doi: 10.1007/BF02712785

    33. [33]

      Perdew; Burke; Wang. Phys. Rev. B 1996, 54 (23), 16533. doi: 10.1103/PhysRevB.54.16533

    34. [34]

      林伟, 章永凡, 李奕, 陈勇, 李俊篯.物理化学学报, 2006, 22 (1), 76. doi: 10.3866/pku.Whxb20060115Lin, W.; Zhang, Y. F.; Li, Y.; Chen, Y.; Li, J. Q. Acta Phys. -Chim. Sin. 2006, 22 (1), 76. doi: 10.3866/pku.Whxb20060115

    35. [35]

      Grimme, S.; Antony, J.; Ehrlich, S.; Krieg, H. J. Chem. Phys. 2010, 132 (15), 19. doi: 10.1063/1.3382344

    36. [36]

      Tang, W.; Sanville, E.; Henkelman, G. J. Phys. Condens. Matter 2009, 21 (8), 7. doi: 10.1088/0953-8984/21/8/084204

    37. [37]

      http://vaspkit.sourceforge.net (14 5 2020).

    38. [38]

      https://wiki.fysik.dtu.dk/ase/about.html (14 5 2020).

    39. [39]

      Azpiroz, J. M.; Mosconi, E.; Bisquert, J.; De Angelis, F. Energy Environ. Sci. 2015, 8 (7), 2118. doi: 10.1039/c5ee01265a

    40. [40]

      Fu, F.; Pisoni, S.; Jeangros, Q.; Sastre-Pellicer, J.; Kawecki, M.; Paracchino, A.; Moser, T.; Werner, J.; Andres, C.; Duchêne, L.; et al. Energy Environ. Sci. 2019, 12 (10), 3074. doi: 10.1039/c9ee02043h

    41. [41]

      Yang, W. S.; Noh, J. H.; Jeon, N. J.; Kim, Y. C.; Ryu, S.; Seo, J.; Seok, S. I. Science 2015, 348 (6240), 1234. doi: 10.1126/science.aaa9272

    42. [42]

      Abdi-Jalebi, M.; Andaji-Garmaroudi, Z.; Cacovich, S.; Stavrakas, C.; Philippe, B.; Richter, J. M.; Alsari, M.; Booker, E. P.; Hutter, E. M.; Pearson, A. J.; et al. Nature 2018, 555 (7697), 497. doi: 10.1038/nature25989

    43. [43]

      Wang, Q.; Chen, B.; Liu, Y.; Deng, Y.; Bai, Y.; Dong, Q.; Huang, J. Energy Environ. Sci. 2017, 10 (2), 516. doi: 10.1039/c6ee02941h

    44. [44]

      Yu, H.; Wang, F.; Xie, F.; Li, W.; Chen, J.; Zhao, N. Adv. Funct. Mater. 2014, 24 (45), 7102. doi: 10.1002/adfm.201401872

    45. [45]

      杨春和, 唐爱伟, 滕枫, 蒋克健.物理化学学报, 2018, 34 (11), 1197. doi: 10.3866/PKU.WHXB201804097Yang, C. H.; Tang, A. W.; Teng, F.; Jiang, K. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34 (11), 1197. doi: 10.3866/PKU.WHXB201804097

    46. [46]

      Yan, L.; Xue, Q. F.; Liu, M. Y.; Zhu, Z. L.; Tian, J. J.; Li, Z. C.; Chen, Z.; Chen, Z. M.; Yan, H.; Yip, H. L.; Cao, Y. Adv. Mater. 2018, 30 (33), 1802509. doi: 10.1002/adma.201802509

    47. [47]

      Hu, W. P.; Zhou, W. R.; Lei, X. Y.; Zhou, P. C.; Zhang, M. M.; Chen, T.; Zeng, H. L.; Zhu, J.; Dai, S. Y.; Yang, S. H.; Yang, S. F. Adv. Mater. 2019, 31 (8), 12. doi: 10.1002/adma.201806095

    48. [48]

      Kim, H. S.; Jang, I. H.; Ahn, N.; Choi, M.; Guerrero, A.; Bisquert, J.; Park, N. G. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6 (22), 4633. doi: 10.1021/acs.jpclett.5b02273

    49. [49]

      Son, D. Y.; Kim, S. G.; Seo, J. Y.; Lee, S. H.; Shin, H.; Lee, D.; Park, N. G. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140 (4), 1358. doi: 10.1021/jacs.7b10430

    50. [50]

      刘秋平, 黄慧娟, 周洋, 段彦栋, 孙庆文, 林原.物理化学学报, 2012, 28 (3), 591. doi: 10.3866/PKU.WHXB201112161Liu, Q. P.; Huang, H. J.; Zhou, Y.; Duan, Y. D.; Sun, Q. W.; Lin, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28 (3), 591. doi: 10.3866/PKU.WHXB201112161

    51. [51]

      Minemoto, T.; Murata, M. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2015, 133, 8. doi: 10.1016/j.solmat.2014.10.036

    52. [52]

      Zhao, P.; Lin, Z.; Wang, J.; Yue, M.; Su, J.; Zhang, J.; Chang, J.; Hao, Y. ACS Appl. Energy Mater. 2019, 2 (6), 4504. doi: 10.1021/acsaem.9b00755

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  22
  • 文章访问数:  2188
  • HTML全文浏览量:  559
文章相关
  • 发布日期:  2021-03-15
  • 收稿日期:  2020-06-11
  • 接受日期:  2020-07-26
  • 修回日期:  2020-07-14
  • 网络出版日期:  2020-07-31
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章