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摘 要：2009年，有机无机杂化钙钛矿太阳能电池首次被发现，在10年的时间里，其效率飞速发展，从最初的3.8%发展至如今的25.2%。ETLs是PSCs中最为关键的一部分，在PSCs中起到传输电子阻挡空穴，减少电子空穴复合的作用。探究了不同TiO2厚度对TiO2薄膜及器件光电性能的影响。结果表明：当ETLs厚度为50 nm时，器件性能最好，PCE为16.29%，短路电流为20.88 mA/cm2，开路电压为1.07 V，填充因子为72.97%。
关键词：钙钛矿太阳能电池;电子传输层 ;TiO2
1 引言
钙钛矿太阳能电池（Perovskite solar cells， PSCs）因其具有优异的光学和电学性质得到了众多研究者的关注，光电转换效率（Photoelectric conversion efficiency， PCE）已经从研发之初的3.8%[2]提升到了25.2%[1]。在平面结构PSCs 中，高质量的电子传输层（Electronic Transport Layers， ETLs）是高光电转换效率的必要条件，ETLs在电子提取和传输，以及空穴的阻挡和界面接触中起到关键作用[3]。通常会选择一些具有与钙钛矿的能级匹配，制备方法多样化，化学稳定性良好，光透过率高等特性的材料。TiO2具有以上优异特性且成本较为低廉，是目前使用最为广泛的电子传输材料，通常采用自旋涂覆或喷雾热解法制备TiO2前驱体溶液。
本文以TiAcAc和正丁醇为原料，旋涂工艺制备TiO2薄膜，采用一步法制备钙钛矿层。研究了不同厚度的TiO2薄膜对电子传输层性能以及电池性能的影响。
2 实验结果与分析
2.1 TiO2薄膜的厚度对PSCs的光电性能影响研究
采用一步法制备钙钛矿层，研究不同厚度的ETLs对器件性能的影响。
当厚度为50 nm时，最佳效率为16.29%，FF达到了72.97%，JSC为20.88 mA/cm2，开路电压（Open-circuit Voltage， VOC）为1.07 V，均值效率为16.10%。整体而言，无论是正扫还是反扫，随着厚度的增加，电池的JSC、VOC、填充因子（Fill Factor， FF）和均值效率均呈现先增加后降低的趋势。图1（a）是不同厚度的J-V曲线图，当厚度为50 nm时，性能最优。图1（b）是器件的IPCE及积分电流曲线图，由图可知，当厚度为30 nm、50 nm、70 nm时，其积分电流值分别为，19.80 mA/cm2、20.96 mA/cm2、19.99 mA/cm2，可知J-V曲线中的电流值与积分电流值几乎一致。并且，从IPCE图可以看出，厚度为50 nm的TiO2薄膜在450.02 nm处拥有91.88%的单色光光子电子转换效率，而厚度为30 nm的最大值为86.72%，厚度为70 nm的为88.66%。
EIS是在暗态下施加0 V偏压，20 mV的微扰电压进行测量。以进一步明确界面电子转移的机制。高频半圆为传输电阻，所测的几个不同厚度之间的传输电阻满足50 nm>30 nm>70 nm。较好的表面覆盖率能有效的降低钙钛矿层与FTO直接接触所产生的界面电阻，阻断由FTO与钙钛矿界面直接接触所引起的分流通路，能够更有效的进行载流子的提取和运输[14]。中频和低频是钙钛矿层两侧的界面电荷转移及其内部的慢速动力学过程[15，16]。这些过程响应合并。较大的界面陷阱态导致界面传输电阻较大，这对电池电荷的载流子提取是不利的，导致电荷提取能力较差。
3 总结与展望
探究了不同厚度对TiO2薄膜质量的影响。通过SEM、AFM、透过率等手段的表征，发现当ETLs的厚度為50 nm和70 nm时，所得薄膜质量较好，几乎没有孔隙的存在。通过断面扫描图可以发现，旋涂一层、两层、三层的厚度分别为30 nm、50 nm、70 nm。通过J-V曲线，IPCE图，EIS等表征手段，证实当旋涂厚度为50 nm时，所制备的电池具有16.29%的最佳PCE，FF为72.97%，JSC为20.88 mA/cm2，VOC为1.07 V。均值效率为16.10%。EIS测试结果表明，50 nm时，有最小的传输电阻和最大的复合电阻，最小的传输电阻更有利于电荷转移，最大的复合电阻，能够更有效的抑制电子空穴的复合。
然而使用TiO2作为ETLs时，其存在较多的固有缺陷。首先，进行高温烧结，制备成本较高，且限制了其在柔性器件中的应用。其次，TiO2较低的电子迁移率，导致ETLs/钙钛矿界面电荷积聚，引起滞后和效率降低。同时，TiO2还存在着光不稳定性的缺陷，在紫外臭氧处理下，Ti4+会被还原成Ti3+，容易发生光降解，增加了器件的不稳定性和电荷重组。
参考文献
[1]https：//www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-cell-efficiencies.20190923.pdf （2019）. [M].
[2]KOJIMA A， TESHIMA K， SHIRAI Y， et al. Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells [J]. Journal of the American Chemical Society， 2009， 131（17）： 6050-1.
[3]KE W， FANG G， LIU Q， et al. Low-Temperature Solution-Processed Tin Oxide as an Alternative Electron Transporting Layer for Efficient Perovskite Solar Cells [J]. Journal of the American Chemical Society， 2015， 137（21）： 6730-3.
作者简介：高培养（1995-），男，汉，安徽亳州，景德镇陶瓷大学在读研究生，研究方向：太阳能电池
基金项目：国家科技合作专项（2013DFA51000）; 国家自然基金（51462015）
关键词：钙钛矿太阳能电池;电子传输层 ;TiO2
1 引言
钙钛矿太阳能电池（Perovskite solar cells， PSCs）因其具有优异的光学和电学性质得到了众多研究者的关注，光电转换效率（Photoelectric conversion efficiency， PCE）已经从研发之初的3.8%[2]提升到了25.2%[1]。在平面结构PSCs 中，高质量的电子传输层（Electronic Transport Layers， ETLs）是高光电转换效率的必要条件，ETLs在电子提取和传输，以及空穴的阻挡和界面接触中起到关键作用[3]。通常会选择一些具有与钙钛矿的能级匹配，制备方法多样化，化学稳定性良好，光透过率高等特性的材料。TiO2具有以上优异特性且成本较为低廉，是目前使用最为广泛的电子传输材料，通常采用自旋涂覆或喷雾热解法制备TiO2前驱体溶液。
本文以TiAcAc和正丁醇为原料，旋涂工艺制备TiO2薄膜，采用一步法制备钙钛矿层。研究了不同厚度的TiO2薄膜对电子传输层性能以及电池性能的影响。
2 实验结果与分析
2.1 TiO2薄膜的厚度对PSCs的光电性能影响研究
采用一步法制备钙钛矿层，研究不同厚度的ETLs对器件性能的影响。
当厚度为50 nm时，最佳效率为16.29%，FF达到了72.97%，JSC为20.88 mA/cm2，开路电压（Open-circuit Voltage， VOC）为1.07 V，均值效率为16.10%。整体而言，无论是正扫还是反扫，随着厚度的增加，电池的JSC、VOC、填充因子（Fill Factor， FF）和均值效率均呈现先增加后降低的趋势。图1（a）是不同厚度的J-V曲线图，当厚度为50 nm时，性能最优。图1（b）是器件的IPCE及积分电流曲线图，由图可知，当厚度为30 nm、50 nm、70 nm时，其积分电流值分别为，19.80 mA/cm2、20.96 mA/cm2、19.99 mA/cm2，可知J-V曲线中的电流值与积分电流值几乎一致。并且，从IPCE图可以看出，厚度为50 nm的TiO2薄膜在450.02 nm处拥有91.88%的单色光光子电子转换效率，而厚度为30 nm的最大值为86.72%，厚度为70 nm的为88.66%。
EIS是在暗态下施加0 V偏压，20 mV的微扰电压进行测量。以进一步明确界面电子转移的机制。高频半圆为传输电阻，所测的几个不同厚度之间的传输电阻满足50 nm>30 nm>70 nm。较好的表面覆盖率能有效的降低钙钛矿层与FTO直接接触所产生的界面电阻，阻断由FTO与钙钛矿界面直接接触所引起的分流通路，能够更有效的进行载流子的提取和运输[14]。中频和低频是钙钛矿层两侧的界面电荷转移及其内部的慢速动力学过程[15，16]。这些过程响应合并。较大的界面陷阱态导致界面传输电阻较大，这对电池电荷的载流子提取是不利的，导致电荷提取能力较差。
3 总结与展望
探究了不同厚度对TiO2薄膜质量的影响。通过SEM、AFM、透过率等手段的表征，发现当ETLs的厚度為50 nm和70 nm时，所得薄膜质量较好，几乎没有孔隙的存在。通过断面扫描图可以发现，旋涂一层、两层、三层的厚度分别为30 nm、50 nm、70 nm。通过J-V曲线，IPCE图，EIS等表征手段，证实当旋涂厚度为50 nm时，所制备的电池具有16.29%的最佳PCE，FF为72.97%，JSC为20.88 mA/cm2，VOC为1.07 V。均值效率为16.10%。EIS测试结果表明，50 nm时，有最小的传输电阻和最大的复合电阻，最小的传输电阻更有利于电荷转移，最大的复合电阻，能够更有效的抑制电子空穴的复合。
然而使用TiO2作为ETLs时，其存在较多的固有缺陷。首先，进行高温烧结，制备成本较高，且限制了其在柔性器件中的应用。其次，TiO2较低的电子迁移率，导致ETLs/钙钛矿界面电荷积聚，引起滞后和效率降低。同时，TiO2还存在着光不稳定性的缺陷，在紫外臭氧处理下，Ti4+会被还原成Ti3+，容易发生光降解，增加了器件的不稳定性和电荷重组。
参考文献
[1]https：//www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-cell-efficiencies.20190923.pdf （2019）. [M].
[2]KOJIMA A， TESHIMA K， SHIRAI Y， et al. Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells [J]. Journal of the American Chemical Society， 2009， 131（17）： 6050-1.
[3]KE W， FANG G， LIU Q， et al. Low-Temperature Solution-Processed Tin Oxide as an Alternative Electron Transporting Layer for Efficient Perovskite Solar Cells [J]. Journal of the American Chemical Society， 2015， 137（21）： 6730-3.
作者简介：高培养（1995-），男，汉，安徽亳州，景德镇陶瓷大学在读研究生，研究方向：太阳能电池
基金项目：国家科技合作专项（2013DFA51000）; 国家自然基金（51462015）