Energy Environ. Sci.：朱开-钙钛矿太阳能电池中的外部离子迁移

【引言】

近年来，有机-无机杂化的钙钛矿材料(例如MAPbI3)由于其优异的光电性能和低成本制备技术受到了广泛关注。基于钙钛矿结构的太阳能电池(PSCs)的能量转换效率(PCE)更是在短短7年内就从3.8%攀升到了22.1%。离子迁移在PSCs中普遍存在，而且被广泛认为是导致J-V迟滞现象的主要因素。但是，迄今为止几乎所有研究都仅仅集中在钙钛矿材料内部离子(MA⁺、Pb²⁺、I^-)的迁移及其对PSCs的影响。来自空穴传输层(HTL)或电子传输层(ETL)的外部离子的迁移行为和作用机制鲜有报道。

【成果简介】

近日，美国国家可再生能源实验室(NREL)的高级科学家朱开(通讯作者)等人以“Extrinsic ion migration in perovskite solar cells”为题在能源领域顶尖期刊Energy Environ. Sci.上发表了关于PSCs中外部离子迁移的最新成果。研究团队在基于TiO₂/钙钛矿/spiro-OMeTDA的PSCs中，通过飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）展示了Li+从spiro-OMeTDA层迁移，到达钙钛矿和TiO₂层，并在TiO₂层中聚集的行为，揭示了Li⁺迁移对太阳能电池性能、TiO₂层载流子脱出性质以及J-V迟滞现象的影响。该结果具有一定普适性，同样适用于描述H⁺、Na⁺等其他外部离子的迁移行为及其对PSCs的影响。

【图文导读】

图1：TOF-SIMS技术用于PSCs中几种主要元素的深度剖析

(a)TOF-SIMS技术用于分析PSCs中一维元素分布的示意图；

(b)用Li-TFSI掺杂spiro-OMeTDA做HTL的PSCs中元素的深度剖析：Li元素具有广泛的分布；

(c)未掺杂Li-TFSI的PSCs中元素的深度剖析：Li元素的信号与仪器背景水平相当或更低。

图2：不同Li-TFSI掺杂量的spiro-OMeTDA用作HTL对PSCs性能的影响

(a)正向扫描和反向扫描的J-V曲线；

(b)正向扫描和反向扫描的PCE，绿色曲线是正向PCE和反向PCE的平均值；

(c)不同方法制备无Li PSCs的示意图；

(d)不同制备方法得到的具有相同无Li HTL的太阳能电池的J-V曲线。

图3：HTL掺杂和不掺杂Li+的PSCs的迟滞现象

(a)正向扫描的PCE(正方形)、反向扫描的PCE(圆形)以及正向扫描和反向扫描PCE的平均值(三角形)；

(b)不同扫描速率下，含Li-TFSI和不含Li-TFSI的PSCs的迟滞系数。图中实线为趋势线；

(c)步进偏压下的光电流；

(d)偏压从0.6V变化到0.8V时的归一化光电流：表明了不同的转变动力学。

图4：不同叠层结构钙钛矿的TRPL谱

(1)钙钛矿/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(黑色)；

(2)致密TiO₂/钙钛矿/PMMA(红色)；

(3)Li掺杂钙钛矿/PMMA(蓝色)；

(4)TiO₂/Li掺杂钙钛矿/PMMA(紫色)；

(5)TiO₂/钙钛矿/Li掺杂PMMA(绿色)；

(6)Li掺杂TiO₂/钙钛矿/PMMA(橙色)。

图5：预偏极化诱导的Li+迁移对PSCs性能的调控

(a-b)正极化和负极化后的截面KPFM电势；

(c)预偏极化后的EQE；

(d-e)预偏极化后的正向扫描(实线)和反向扫描(虚线)的J-V曲线，第1次(黑色)、第3次(红色)和第20次(蓝色)扫描；

(f)预偏极化后的迟滞系数。

图6:HTL掺杂其他外部离子的PSCs的性能

(a)H2SO4作为H⁺源；

(b)Na-TFSI作为Na⁺源。

【小结】

同内部离子迁移一样，外部离子迁移同样是PSCs器件的共性，并且对PSCs的性能、迟滞现象甚至降解均有显著影响。该研究通过对外部离子迁移行为及其作用的揭示，提出了PSCs中离子迁移研究的新思路，有助于深化对PSCs相关机理的认识，从而进一步优化PSCs器件的设计。

参考文献：Li Z, Xiao C, Yang Y, et al. Extrinsic ion migration in perovskite solar cells[J]. Energy & Environmental Science, 2017.

本文由材料人编辑部游世海编译，周梦青审核，点我加入材料人编辑部。

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