劉毅 徐征趙謖玲 喬泊 李楊 秦梓倫 朱友勤

(北京交通大學(xué),發(fā)光與光信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044)

(北京交通大學(xué)光電子技術(shù)研究所,北京 100044)

雙添加劑處理電子傳輸層富勒烯衍生物[6,6]-苯基-C61丁酸甲酯對(duì)鈣鈦礦太陽能電池性能的影響?

劉毅 徐征?趙謖玲 喬泊 李楊 秦梓倫 朱友勤

(北京交通大學(xué),發(fā)光與光信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044)

(北京交通大學(xué)光電子技術(shù)研究所,北京 100044)

有機(jī)無機(jī)復(fù)合鈣鈦礦材料被證明是非常出色的光伏材料,目前主要通過優(yōu)化鈣鈦礦材料的結(jié)晶和形貌來提高鈣鈦礦太陽能電池的效率.而對(duì)于電荷傳輸層,特別是p-i-n結(jié)構(gòu)中電子傳輸層的研究相對(duì)較少.因此,本文制備了結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PCBM/Al的鈣鈦礦太陽能電池通過在電子傳輸層富勒烯衍生物[6,6]-苯基-C61丁酸甲酯(PCBM)中添加聚苯乙烯(PS)和1,8-二碘辛烷(DIO)使得鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率從10.8%提升到了12.5%.分析了性能提高的原因主要是:1)添加劑PS的加入提升了PCBM的黏度,從而形成了質(zhì)量更高、更平滑的膜層,這有利于抑制電子和空穴在鈣鈦礦層和電子傳輸層之間的復(fù)合;2)添加劑DIO的加入改善了電子傳輸層的形貌,有利于電荷的分離、傳輸和收集.研究結(jié)果表明用成本較低的添加劑處理可以改善電子傳輸層的形貌和膜層的質(zhì)量達(dá)到了改善電荷傳輸特性的效果提升了鈣鈦礦太陽能電池的效率為提升鈣鈦礦太陽能電池性能提供了一條可行的路徑.

鈣鈦礦太陽能電池,電子傳輸層,添加劑,電荷傳輸特性

1 引言

有機(jī)無機(jī)復(fù)合金屬鹵化物鈣鈦礦材料因其優(yōu)越的光學(xué)和電學(xué)特性,如高吸收系數(shù)[1]、高載流子遷移率[2]、長的載流子復(fù)合壽命[3]、合適的禁帶寬度[4]、容易制備等,近些年來受到越來越多的關(guān)注[5?7].受益于這些優(yōu)良的特性,鈣鈦礦光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)在不到五年的發(fā)展時(shí)間里從3.8%[8]大幅度提升到22.1%[9],具有很大的商業(yè)化潛力.常規(guī)的鈣鈦礦太陽能電池是鈣鈦礦吸收層在電子傳輸層和空穴傳輸層之間的一種,三明治形式的平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的電池[10,11].為了提高鈣鈦礦吸收層的性能,科學(xué)家們合成了很多新的鈣鈦礦材料,并廣泛應(yīng)用了不同的沉積方法,也應(yīng)用了如熱退火、溶劑退火、溶劑選擇等技術(shù)和參數(shù)來改善鈣鈦礦層的形貌[12?14].除了鈣鈦礦層,電子傳輸層如應(yīng)用非常廣泛的富勒烯衍生物[6,6]-苯基-C61丁酸甲酯(PCBM)層的形貌也起著非常重要的作用,因?yàn)槠渑c電荷解離和電子傳輸有緊密的關(guān)系[15,16],而當(dāng)前鈣鈦礦光伏器件中對(duì)電子傳輸層PCBM的研究較少,一般只有熱退火、溶劑退火、單添加劑處理[17,18]的報(bào)道.在使用溶劑退火方法的參考文獻(xiàn)中,對(duì)PCBM層進(jìn)行熱退火過程中加入鄰二氯苯(DCB)的溶劑氛圍,使得PCBM分子排列得更加有序,得到了較好改善電子傳輸層的效果,并且電池性能得到了提升.在使用添加劑處理方法的參考文獻(xiàn)中,通過在電子傳輸層PCBM中加入單添加劑1,8-二碘辛烷(DIO),提高膜層質(zhì)量和形貌來改善電子傳輸層,也得到了一定的效果.提升電子傳輸能力是得到高性能鈣鈦礦太陽能電池的一個(gè)非常重要的因素,所以本文通過改善電子傳輸層PCBM來提供一個(gè)簡便有效的方法以補(bǔ)充前人的工作,得到更好的效率.

在聚合物太陽能電池中,聚苯乙烯(PS)和DIO常被用作溶劑添加劑來改善聚合物電池中活性層的形貌[19],其中PS作為添加劑可以提升PCBM溶液的黏度,而DIO能很好地溶解PCBM并且沸點(diǎn)較高,二者共同作用均有利于提升PCBM的結(jié)晶質(zhì)量,提高其電子傳輸性能.本文將PS和DIO作為添加劑,同時(shí)添加到鈣鈦礦電池電子傳輸層PCBM中.試驗(yàn)結(jié)果表明,通過雙添加劑處理,不僅提高了PCBM膜層的質(zhì)量,改善了形貌,并且還提高了電子傳輸性能,降低了電子和空穴在電子傳輸層中的復(fù)合,PCBM薄膜質(zhì)量和電子傳輸性能的改善使得鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率從基礎(chǔ)器件的10.8%提升到了12.5%.短路電流的明顯提升是提升器件效率的關(guān)鍵因素,同時(shí)開路電壓和填充因子也有提升.

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

CH3NH3I和PbI2購自西安寶萊特光電科技有限公司,PCBM購自Nano-C.鈣鈦礦前驅(qū)液由CH3NH3I和PbI2按照1:1的摩爾比混合后溶解在γ-丁內(nèi)酯(GBL)和二甲基亞楓(DMSO)的混合溶劑中,比如將1.2 mol CH3NH3I和1.2 mol PbI2混合后溶解在1 mL GBL:DMSO(7:3)的混合溶劑中.然后60?C攪拌12 h.PCBM溶解在氯苯(CB)中,濃度為30 mg/mL,常溫?cái)嚢?2 h.

器件結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,我們使用的是商用鍍有銦錫氧化物半導(dǎo)體透明導(dǎo)電膜(ITO)的透明玻璃基片ITO已經(jīng)刻蝕成條狀導(dǎo)電ITO的方塊電阻為10 ?/sq.使用前首先對(duì)ITO襯底進(jìn)行清洗利用玻璃清洗液、去離子水、酒精順序清洗ITO導(dǎo)電玻璃然后氮?dú)獯蹈蒊TO導(dǎo)電玻璃并在紫外臭氧環(huán)境下處理7 min以清潔ITO表面殘留的有機(jī)物同時(shí)提高ITO的功函數(shù)[20]這樣有利于減小ITO和有機(jī)層之間的空穴注入勢(shì)壘.然后利用勻膠凝膠機(jī)在處理后的ITO表面旋涂PEDOT:PSS,旋涂轉(zhuǎn)速為4000 r/min,時(shí)間為40 s.將涂有PEDOT:PSS的基片放入加熱平臺(tái)上在12?C溫度下退火2 min后送入手套箱備用.鈣鈦礦層旋涂按照文獻(xiàn)[21]報(bào)道的方法,一共旋涂80 s,前20 s旋涂轉(zhuǎn)速為1500 r/m,后60 s旋涂轉(zhuǎn)速為4000 r/min,這兩個(gè)不同轉(zhuǎn)速的旋涂過程是連續(xù)的.并使用CB作為不良溶劑進(jìn)行沖洗,旋涂后100?C退火5 min.然后旋涂不同的PCBM薄膜(轉(zhuǎn)速2000 r/min,時(shí)間60 s),40?C退火2 min后,采用真空鍍膜機(jī)蒸鍍80 nm金屬鋁電極,器件的有效面積為0.04 cm2.

光電流密度-電壓(J-V)性能測試是在太陽能模擬器輸出光為標(biāo)準(zhǔn)AM1.5光的光譜、光強(qiáng)為100 mW/cm2、測試環(huán)境為室溫的大氣環(huán)境下,通過Keithley 4200半導(dǎo)體測試系統(tǒng)進(jìn)行測量.在掃描速度為0.1 V/s,掃描電壓范圍?0.5—1.5 V的條件下,測試I-V的函數(shù)關(guān)系.由于電流和太陽能電池面積A成正比,所以用電流密度J(J=I/A)取代電流I來描述伏安特性.J-V特性曲線可以直接反映器件的短路電流和開路電壓,同時(shí)可以通過計(jì)算得到器件的填充因子以及光電轉(zhuǎn)換效率.

圖1 (a)ITO/PEDTO:PSS/CH3NH3PbI3/PCBM/Al鈣鈦礦太陽能電池器件結(jié)構(gòu)圖;(b)對(duì)應(yīng)每層的相關(guān)能級(jí)圖Fig.1.(a)Device schematic of the typical perovskite solar cell with ITO/PEDTO:PSS/CH3NH3PbI3/PCBM/Al structure;(b)related energy levels of each layer.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

從圖1(b)能級(jí)圖中可以看出,鈣鈦礦層的導(dǎo)帶底和PCBM層的最低未占有分子軌道(LUMO)之間只有很小的能極差,PEDOT:PSS的功函數(shù)和鈣鈦礦層CH3NH3PbI3的價(jià)帶頂也非常接近,空穴傳輸層與電子傳輸層的能級(jí)和鈣鈦礦層的能級(jí)相當(dāng)匹配,這對(duì)減少開路電壓的損失是很重要的,并且加入添加劑的PCBM層的能級(jí)不會(huì)發(fā)生變化[22].

器件的J-V性能測試是在AM1.5光照下進(jìn)行的,圖2(a)為測試的鈣鈦礦J-V圖,表1為器件的詳細(xì)參數(shù),樣本數(shù)為8個(gè).基于無添加劑處理PCBM的基礎(chǔ)器件只能得到10.83%光電轉(zhuǎn)換效率,短路電流密度(Jsc)為15.41 mA/cm2,開路電壓(Voc)為0.97 V,填充因子(FF)為0.72,串聯(lián)電阻(Rs)為3.617 ?·cm2.單獨(dú)加入PS后,開路電壓提高到1.01 V,短路電流基本沒有變化,串聯(lián)電阻減小為2.883 ?·cm2;單獨(dú)加入DIO后,開路電壓提高到1.01 V,短路電流提高到16.32 mA/cm2,串聯(lián)電阻減小為2.883 ?·cm2;當(dāng)加入雙添加劑PS和DIO之后,相比于沒有摻雜的器件,開路電壓提高到1.00 V,短路電流提升到16.39 mA/cm2,同時(shí)FF提升到0.77,串聯(lián)電阻減小為2.025 ?·cm2,比單添加劑表現(xiàn)出更好的效果,效率的提升主要?dú)w功于Jsc和FF的增加,外量子效率(EQE)如圖2(b)所示,添加劑處理之后也有明顯的提升.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)(a)不同PCBM層的J-V圖;(b)EQE圖Fig.2.(color online)(a)Current density-voltage curves and(b)external quantum efficiency(EQE)spectra of the devices processed from PCBM solutions with di ff erent additives.

表1 器件參數(shù)Table 1.Parameters for devices processed from PCBM solutions without and with di ff erent additives.

由前人的工作可知,PS作為添加劑可以提升PCBM溶液的黏度,可以改善膜層質(zhì)量,而高質(zhì)量的電子傳輸層可以減少由于缺陷所引起的電荷復(fù)合,這將有利于提升電池器件的開路電壓.DIO是最常見的添加劑,能很好地溶解PCBM,另外DIO的沸點(diǎn)為333?C,高于主體溶劑氯苯的沸點(diǎn)132?C,所以在PCBM結(jié)晶過程中揮發(fā)的緩慢,有利于提升PCBM的結(jié)晶質(zhì)量,形成質(zhì)量更高、表面更平滑的膜層,進(jìn)而提高其電子傳輸性能.為了證明器件性能的提升是由于PCBM電子傳輸層性能的改善,我們進(jìn)行了以下系列實(shí)驗(yàn).首先測試了基于不同CH3NH3PbI3/PCBM(不同添加劑處理)層的吸收光譜,如圖3(a)所示.可以看出,PCBM中加入添加劑對(duì)膜層的光吸收幾乎沒有影響,由此可知,器件性能的提升或者EQE的提升不是因?yàn)槠骷?duì)光吸收的增強(qiáng),可能是因?yàn)橥ㄟ^添加劑處理改善了PCBM薄膜質(zhì)量,提升了PCBM層的電子傳輸性能,增強(qiáng)了電子從鈣鈦礦層到PCBM層的注入能力.這需要進(jìn)一步驗(yàn)證.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)(a)基于不同PCBM層(加入不同添加劑)的薄膜吸收光譜圖;(b)基于ITO/CH3NH3PbI3/PCBM(不同添加劑處理)的時(shí)間分辨發(fā)光衰減曲線Fig.3.(color online)(a)UV-vis spectra of the CH3NH3PbI3/PCBM layers,the PCBM layers were processed from PCBM without and with di ff erent additives;(b)time-resolved photoluminescent decay curves of ITO/CH3NH3PbI3/PCBM(with di ff erent additives).

表2 基于ITO/CH3NH3PbI3/PCBM(不同添加劑處理)的時(shí)間分辨發(fā)光衰減測試結(jié)果參數(shù)Table 2.Parameters for time-resolved photoluminescent decay curves of ITO/CH3NH3PbI3/PCBM(with di ff erent additives).

為了對(duì)比不同器件中自由電荷的傳輸性能,我們測試了在PCBM中加入不同添加劑后的ITO/CH3NH3PbI3/PCBM薄膜的發(fā)光衰減曲線(熒光壽命),如圖3(b)所示,激發(fā)波長為480 nm,探測波長為760 nm,對(duì)應(yīng)鈣鈦礦層的發(fā)光.對(duì)發(fā)光衰減曲線(熒光壽命)采用三指數(shù)擬合,擬合計(jì)算公式為:

式中I為熒光強(qiáng)度,I0為初始熒光強(qiáng)度,Bi為前指數(shù)因子,τi為特性壽命,擬合計(jì)算結(jié)果如表2所列.對(duì)于具有多個(gè)指數(shù)項(xiàng)的模型,定義了平均壽命τ[23],不同的樣品用平均壽命來進(jìn)行對(duì)比更加科學(xué).計(jì)算平均壽命[23]的公式為

計(jì)算得ITO/CH3NH3PbI3/PCBM(pure),ITO/CH3NH3PbI3/PCBM(with DIO)和ITO/CH3-NH3PbI3/PCBM(with PS&DIO)的平均熒光壽命分別約為5.13,4.45和3.19 ns.可見熒光壽命越來越短,這說明光照形成的激子在鈣鈦礦層和PCBM層之間解離得越來越快,解離后的電子和空穴能很快分離,并且電子沒有在二者界面上累積.這說明電子傳輸層傳輸電子的性能隨著添加劑的加入變好,尤其是雙添加劑處理后的樣品,性能最佳,表明雙添加劑處理PCBM會(huì)提升器件的電子傳輸性能.

加入添加劑后,PCBM膜層的表面形貌也得到了改善,圖4所示為旋涂到CH3NH3PbI3上不同PCBM膜層的10μm×10μm原子力顯微鏡(AFM)形貌圖.通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),無添加劑處理的PCBM膜層粗糙度為1.270 nm,添加劑PS處理的PCBM膜層粗糙度為0.975 nm,添加劑DIO處理的PCBM膜層粗糙度為0.990 nm,雙添加劑處理的PCBM膜層粗糙度為0.806 nm.由此可得出結(jié)論,雙添加劑處理的PCBM膜層表現(xiàn)出了最小的粗糙度,膜層質(zhì)量最好.加入添加劑PS后之所以可以提升PCBM膜層質(zhì)量是因?yàn)榇蠓肿恿康腜S提升了PCBM的黏度,從而形成了更高質(zhì)量、更平滑的膜層.DIO的沸點(diǎn)(333?C)比溶劑CB的沸點(diǎn)(132?C)要高得多,在溶劑揮發(fā)的過程中揮發(fā)得更加緩慢,使得PCBM結(jié)晶得更加緩慢,有利于結(jié)晶.雙添加劑處理綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn),可以得到最好的膜層質(zhì)量.粗糙度的降低能夠很好地證明PCBM層的形貌得到了很好的改善.另外，由于PCBM膜層的表面更光滑,使得PCBM層與鈣鈦礦層和鋁電極的接觸更加良好[16].由表1可見串聯(lián)電阻Rs越來越小,而這對(duì)電荷的分離和收集是非常有利的,此即為EQE(或者Jsc)提升的主要原因.PCBM膜層形貌的改善和降低串聯(lián)電阻Rs是正相關(guān)的,反過來會(huì)提升FF[24].

圖4 (網(wǎng)刊彩色)不同添加劑處理的器件AFM高度圖(a)無添加劑處理;(b)添加劑PS處理;(c)添加劑DIO處理;(d)添加PS和DIOFig.4.(color online)AFM height images of PCBM layers were processed from PCBM:(a)Without additives;(b)with PS;(c)with DIO;(d)with PS and DIO.

鈣鈦礦光伏器件中的回滯現(xiàn)象的一個(gè)主要原因是鈣鈦礦層和電荷傳輸層之間界面處存在很強(qiáng)的電荷復(fù)合,而電荷復(fù)合是因?yàn)榫Ы绾腿毕輰?dǎo)致的,這一直是鈣鈦礦太陽能電池的一個(gè)主要問題[25].已有很多有關(guān)PEDOT:PSS/perovskite/PCBM這種反型平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的太陽能電池能大大減小回滯現(xiàn)象的報(bào)道[26,27].其中能降低回滯現(xiàn)象的一個(gè)可行的方法是熱鈍化,就是鈣鈦礦層經(jīng)過長時(shí)間高溫退火,然后將小分子的PCBM旋涂到鈣鈦礦表面的缺陷態(tài)上消除光電流回滯現(xiàn)象[4?8].表面鈍化是另一種可以降低表面缺陷和抑制鈣鈦礦層的電荷復(fù)合的方式[28,29].目前大部分研究主要集中在通過去除缺陷和生長更大晶粒尺寸的鈣鈦礦來提升鈣鈦礦層的膜層質(zhì)量.而本文工作通過改善電子傳輸層PCBM,改善了器件的回滯現(xiàn)象.圖5(a)—圖5(d)分別為基于無添加劑、添加劑PS處理,添加劑DIO處理和雙添加劑處理的PCBM層的不同鈣鈦礦太陽電池的J-V曲線圖,可以看出,添加劑處理后的器件都表現(xiàn)出了可以忽視的回滯現(xiàn)象.沒有經(jīng)過添加劑處理的器件正掃和反掃的光電轉(zhuǎn)化效率分別為1.8%和1.3%,而經(jīng)過雙添加劑處理的器件,正掃和反掃的光電轉(zhuǎn)化效率分別為12.59%和12.56%.因此,我們的工作使回滯現(xiàn)象大大降低甚至消除.電子和空穴傳輸?shù)钠胶馐墙档突販F(xiàn)象非常重要的條件,這也進(jìn)一步說明所制備的器件中添加劑對(duì)電子傳輸性能的改善,尤其是雙添加劑處理后的電子傳輸層PCBM更能有效地提升器件的效率.

4 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)成功地證明了經(jīng)過雙添加劑PS和DIO處理電子傳輸層PCBM,可以明顯提升鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率,從10.8%提升到了12.5%,并且大大降低了回滯現(xiàn)象.器件效率的提升主要是由于電子傳輸層性能和形貌的改善,使短路電流和填充因子得到了明顯的提升.通過吸收光譜的測試,發(fā)現(xiàn)不同器件的光譜并沒有變化,這說明器件短路電流的增大不是由于吸收光的增強(qiáng),并且可以得出雙添加劑處理PCBM層對(duì)鈣鈦礦層沒有產(chǎn)生影響的結(jié)論.時(shí)間分辨發(fā)光衰減曲線測試結(jié)果表明,雙添加劑處理后的樣品熒光壽命最短,這就說明激子在鈣鈦礦層和PCBM層之間解離后的自由電荷沒有在二者界面上累積,說明電子傳輸層的性能得到了很大的改善.同時(shí),經(jīng)過雙添加處理的PCBM膜層的形貌也得到了改善,這些是鈣鈦礦太陽能電池性能得到優(yōu)化的主要原因.同時(shí)本文提供了一個(gè)簡單有效的提升器件效率并且能夠抑制回滯現(xiàn)象的方法.結(jié)合我們處理電子傳輸層的方法和最新改善鈣鈦礦太陽能電池其他的手段,進(jìn)一步改善鈣鈦礦太陽能器件的性能是非常可能的.

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Liu YiXu Zheng?Zhao Su-LingQiao BoLi Yang Qin Zi-LunZhu You-Qin
(Key Laboratory of Luminescence and Optical Information,Ministry of Education,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)
(Institute of Optoelectronics Technology,Beijing Jiaotong University Beijing 100044,China)

8 October 2016;revised manuscript

13 March 2017)

The organic-inorganic metal halide perovskite materials have excellent optical and electrical properties such as high absorption coefficient,high carrier mobility,long carrier lifetime,tunable bandgap,facile fabrication process,etc.Owing to the above excellent properties,the power conversion efficiency(PCE)of perovskite solar cells(PSCs)has increased signi fi cantly from 3.8%to 22.1%in the last few years.The PSCs have attracted intensive interest in recent years and show great commercial potential.Previous approaches to increasing the PCE of PSCs have focused on the optimization of the morphology of perovskite fi lm.However,there are relatively few studies on the electron transport layer(ETL)in the typical p-i-n sandwiched structure.In this work,the PCE of PSCs with device structure of ITO/PEDTO:PSS/CH3NH3PbI3/PCBM/Al is improved from 10.8%to 12.5%by using polystyrene(PS)and 1,8-diiodooctane(DIO)as binary additives during the deposition of phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PCBM)layer.With the addition of PS,a highly smooth and uniform PCBM ETL is formed due to the increase of viscosity.The morphologies of the PCBM fi lms prepared with and without PS are analyzed using an atomic force microscope in the tapping mode.The root-mean-square surface roughness decreases from 1.270 to 0.975 nm with the addition of PS increasing,which is more e ff ective in preventing electron and hole from recombining at the interface between the perovskite layer and the top electrode.Addition of DIO improves the morphology of PCBM,which plays an important role in charge dissociation,charge transportation,and charge collection.From the time-resolved photoluminescence decay curves of ITO/CH3NH3PbI3/PCBM(with di ff erent additives),it is clear to conclude that the exciton dissociation between the perovskite layer and PCBM layer is faster and faster.Electrons and holes can be quickly separated,indicating that charge transport performances of electron transport layer with the addition DIO turn better.The addition of two additives is a simple and low-cost approach to improving the morphology of the electron transport layer,which provides a path-to the further improvement of the performance of p-i-n PSCs.

perovskite solar cells,electron transport layer,additive,the properties of charge transport

10.7498/aps.66.118801

?國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):61575019,51272022,11474018)、教育部博士點(diǎn)基金(批準(zhǔn)號(hào):20130009130001)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2016YFB0401302)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(批準(zhǔn)號(hào):2016JBM066)資助的課題.

?通信作者.E-mail:zhengxu@bjtu.edu.cn

?2017中國物理學(xué)會(huì)Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.61575019,51272022,11474018),the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China(Grant No.20130009130001),the National Key R&D Program,China(Grant No.2016YFB0401302),and the Fundamental Research Fund for the Central Universities,China(Grant No.2016JBM066).

?Corresponding author.E-mail:zhengxu@bjtu.edu.cn