镁掺杂氧化镍空穴传输层实现高效率和稳定的钙钛矿太阳能电池_焦点

(资料图)

钙钛矿太阳能电池(PSCs)是一种有前景的薄膜光伏器件，可实现高达27.3%的功率转换效率。由氧化镍(NiOx)和Me-4PACz组成的空穴传输层(HTL)在这些器件中被广泛使用。然而，NiOx的分散性和导电性不理想，并且存在能级不匹配问题。同时，Me-4PACz在NiOx上的覆盖不均匀。在此背景下，本文合成了镁离子掺杂的氧化镍(Mg:NiOx)，其具有更多表面羟基，以解决这些问题。更多的表面羟基提供了更多Me-4PACz的结合位点，从而形成更致密、更均匀的Me-4PACz覆盖。因此，埋藏界面上的缺陷更少，为钙钛矿(PVK)的结晶提供了更好的环境。此外，Mg:NiOx/Me-4PACz与PVK实现了更好的能级匹配。基于Mg:NiOx的PSC达到最佳PCE为25.86%，相比于NiOx基器件(24.51%)有显著提升。

(消息来源： Chinese Journal of ChemistryDOI: 10.1002/cjoc.70333)

钙钛矿太阳能电池(PSCs)由于其高效率和低成本，近年来发展迅速。倒置型PSCs易于制造且表现出低迟滞性。此外，它们还可以用于与其他太阳能电池制备叠层电池。这些优势使得倒置型PSCs成为研究的焦点。空穴传输层(HTLs)对PSCs极为重要，HTL自身的性能与稳定性具有重要意义。值得注意的是，HTLs还可以间接影响钙钛矿(PVK)晶体的分解。因此，通过设计和改进HTLs来钝化PVK的埋藏界面是非常必要，这是提高PSCs光电转换效率(PCE)和稳定性的有效方法之一。HTLs可以分为有机和无机类型，各自具有不同的优缺点。大多数无机HTLs是金属氧化物，其中以氧化镍(NiOx)为基础的无机HTLs得到了广泛应用。NiOx具有高透光率，其纳米颗粒稳定性优良。同时，其制造成本也相对较低。然而，在低温下制备的NiOx HTLs仍面临诸多挑战。具体而言，NiOx薄膜的电导率相对较低。此外，NiOx与PVK之间的能级匹配并不理想。NiOx在ITO基底上的分布不均匀，而且高价态的镍容易与PVK发生反应。

为了解决这些问题，许多研究人员从不同方面对NiOx进行了研究。在此，科学家合成了Mg:NiOₓ作为空穴传输层(HTL)，其具有富羟基的表面、成本效益高、Mg²⁺/Ni²⁺半径匹配良好(利于均匀掺杂)以及降低的功函数(优化能量匹配)。Cl⁻易于去除，因为Cl⁻与Ni²⁺的配位能力较弱。因此，采用高溶解度的MgCl₂*6H₂O作为掺杂剂，其释放的结晶水实现了与Ni²⁺的分子级混合，从而促进了均匀掺杂。针对Mg:NiOₓ/Me-4PACz系统的研究显示，Mg:NiOₓ的分散性和导电性得到改善，两组分之间的结合更强，界面缺陷更少，PVK晶粒生长均匀，同时Mg:NiOₓ较低的功函数(-4.36 eV，相较于原始NiOₓ的-4.26 eV)增强了其p型特性。

在这项工作中，合成了Mg:NiOx并成功提升了PSC的性能。Mg:NiOx表面富含羟基，这有助于Me-4PACz的均匀且致密沉积，有利于PVK的均匀生长并抑制埋藏界面缺陷的产生。同时，Mg:NiOx的HOMO能级降低(从-5.03 eV降至-5.13 eV)以及ITO/Mg:NiOx/Me-4PACz的费米能级下降，证明了HTL与PVK之间的能级匹配更佳。更好的能级匹配增强了空穴提取能力。Mg:NiOx器件的VOC和FF均有所提高。采用Mg:NiOx制备的0.06 cm² PSC显示出高达25.86%的PCE，并在室温AM 1.5G连续照射462小时后仍保持初始PCE的96.8%。同时，使用NiOx的PSC仅保持初始PCE的62.9%。Mg:NiOx成功提升了PSC的PCE和稳定性。