SnO₂应用于钙钛矿太阳电池电子传输层的研究进展

来源期刊：材料保护2020年第9期

论文作者：刘壮 陈建林 彭卓寅 陈荐

文章页码：21072 - 42178

关键词：SnO₂;钙钛矿太阳电池;电子传输层;

摘    要：钙钛矿太阳电池（PSCs）自2009年问世以来,其最高光电转换效率（PCE）已达到25.2%,其中电子传输层（ETLs）对电池的性能和稳定性至关重要。目前使用最多的ETLs材料为TiO₂,但它仍存在一些缺点:（1） TiO₂/钙钛矿界面之间存在电荷势垒,导致界面间存在较多的电荷累积,从而致使界面电荷转移效率低;（2） TiO₂具有较高的紫外光催化活性,长期在紫外光照射下会导致钙钛矿分解;（3） TiO₂常需要500℃左右的高温烧结以提高其结晶性,因此不利于在有机柔性衬底上制备。SnO₂作为一种n型无机半导体材料,具有宽禁带、高透光性、高导电率、高电子迁移率、低温制备等优点,近年来已被广泛地研究替代传统的TiO₂作为PSCs的ETLs。SnO₂的制备方法很多,但目前应用于PSCs中的主要方法包括一般溶液法、溶胶-凝胶法、化学浴沉积法等,这些制备工艺较为简单,且能够在低温下合成。采用传统制备方法合成的单一ETLs,例如TiO₂、ZnO、SnO₂等,虽然应用在PSCs中取得了不错的效果,但也存在薄膜覆盖性差,有明显针孔、界面缺陷以及不稳定等问题。因此,很多研究者尝试制备复合ETLs,例如TiO₂/SnO₂、ZnO/SnO₂、SnO₂/SnO₂等,以达到互补效应。虽然SnO₂本身具有十分优异的光电特性,但界面能级匹配与物理接触可能并非最优,不适当的制备工艺会导致薄膜出现明显的缺陷而成为载流子复合中心,从而引起PCE下降。通过提高电子的抽取与传输能力,向SnO₂中掺入一些金属离子,可达到让SnO₂与钙钛矿吸光层能级更加匹配的目的,常用的金属离子包括Li⁺、Mg²⁺、Al³⁺、Y³⁺、Sb³⁺、Nb⁵⁺等。为了改善SnO₂薄膜的质量与表面态,减少表面缺陷,优化界面物理接触,常采用一些材料对SnO₂薄膜表面进行钝化,从而减少界面与表面的复合中心,增强电子的传输能力,改善电池性能。本文首先介绍了SnO₂的晶格结构和特性,然后从SnO₂的单一电子层、复合电子层、元素掺杂、界面钝化等角度,总结了SnO₂作为PSCs电子传输层的制备方法、策略、机理以及近年来的研究进展,指出低温制备高质量SnO₂-ETLs为高效PSCs器件实现柔性化提供了可能。