基于氨基酸衍生物盐酸盐添加剂制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池 高等学校化学学报    2024, 45 (5): 20240044-.   DOI:10.7503/cjcu20240044

Fig.1 Schematic diagram of PSC structure

正文中引用本图/表的段落

首先将ITO/玻璃清洗干净， 分别用甲苯、 丙酮、 去离子水和乙醇依次超声波清洗20 min. 用氮气枪吹干， 然后用O₂-plasma等离子体处理10 min. 将基底移入氮气手套箱. 将2 mg/mL PTAA的甲苯溶液在ITO上以5000 r/min转速旋涂30 s， 然后转移到加热台上， 在100 ℃下加热10 min. 待薄膜冷却20 min后， 将所制备的钙钛矿前驱体溶液分别以2000 r/min的转速旋涂10 s和5000 r/min的转速旋涂30 s， 第20 s时悬滴氯苯. 将钙钛矿在100 ℃下退火20 min. 静置钙钛矿膜 20 min后， 将20 mg/mL PC₆₁BM的氯苯溶液和0.5 mg/mL BCP的异丙醇溶液分别在2000和5000 r/min下旋涂40和30 s， 在70 ℃下退火5 min. 最后， 将厚度为100 nm的Ag电极蒸发在BCP层上， 完成整个器件的制作. 每个器件的有效面积限制为0.05 cm2. 器件结构如图1所示.

PGMECl的分子式如图2（A）所示. 为了证明PGMECl分子和钙钛矿之间的化学相互作用， 使用XPS测试了钙钛矿薄膜［图2（B）］. 为了便于区分， 将无添加剂的薄膜称为基础膜， 具有PGMECl的膜称为目标膜. Pb_4f 和I_3d 特征峰的高分辨率XPS谱图分别见图2（C）和（D）. 与基础膜相比， Pb_4f7/2和Pb_4f5/2峰向较低的结合能移动， 表明未配位的Pb2+离子接受来自PGMECl的电子对［30，31］. 类似地， I-的两个峰向较低的结合能移动， 可归因于不配位的Pb2+引起的链式反应［32］. 这为PGMECl中带负电荷缺陷的钝化提供了证据. Cl_2p 的特征峰如图S1（见本文支持信息）所示， 优化前后的钙钛矿薄膜均没有明显的Cl_2p 信号， 因为氯离子会在退火过程中挥发而不进入钙钛矿晶格， 这种现象已多有报道［28］. 图S2（见本文支持信息）显示了N_1s 的高分辨率XPS谱图， 402 eV处的峰对应于MAPbI₃钙钛矿相中的N—H键［33］， 峰值的移动说明PGMECl与钙钛矿之间发生作用. C_1s 的高分辨率XPS能谱如图S3（见本文支持信息）所示， 284.8和286 eV处的2个峰分别归属于钙钛矿畴晶界处形成的一些非钙钛矿物质（C—C）和钙钛矿的 C—N［33］. 优化后的薄膜在288.2 eV处有一个弱峰， 归属于PGMECl的O=C—O. O=C—O在PGMECl中的高极化特性可以通过离子键与Pb2+进行强配位. 基础器件在此处也检测出一个极小的峰， 可能是钙钛矿薄膜受到污染所致［34］. O_1s XPS能谱如图S4（见本文支持信息）所示， 在基础膜中， 由于受到污染等原因， 也检测到了氧［35］. 优化的膜中O强度更高， 说明薄膜表面存在添加剂.

钙钛矿薄膜光吸收性能的提升有利于短路电流的提升［40］. 图5（A）显示了钙钛矿薄膜的紫外-可见吸收光谱. PGMECl的加入使钙钛矿膜的吸收略有增加， 说明钙钛矿膜结晶度有一定提升. 图5（B）为对应的Tauc图， 可以得到优化前后带隙宽度均为1.58 eV.

本文的其它图/表

• Fig.2  Molecular structure of PGMECl(A), XPS spectra of the perovskite films(B), high⁃resolution XPS spectra of Pb_4f (C), I_3d (D) core level measured on the MAPbI₃ with and without PGMECl
• Fig.3  SEM images(A, B), the corresponding size distributions of the grains(C, D) and AFM images(E, F) of control perovskite film(A, C, E) and target perovskite film(B, D, F)
• Fig.4  XRD patterns of perovskite films without and with PGMECl passivation under different concentrations
• Fig.5  UV⁃Vis spectra of control and target perovskite films(A) and corresponding Tauc diagram(B)
• Fig.6  Secondary electron cut⁃off(A) and valence band regions(B) of UPS spectra for the perovskite films, energy level diagram of the PSCs(C)(A) W_F(control): 4.99 eV, W_F(with PGMECl): 4.82 eV; (B) VBM(control): 0.47 eV, VBM(with PGMECl): 0.72 eV.
• Fig.7  Steady⁃state(A) and time⁃resolved(B) PL spectra of the perovskite films deposited on ITO/glass substrates, dark J⁃V curves of the electron⁃only devices(C) and the hole⁃only devices(D)
• Fig.8  Transient photovoltage characteristics(A) and transient photocurrent characteristics(B) of control device and target device, Nyquist plots of the control device and the device with PGMECl additive(C), Mott⁃Schottky plots of PSCs prepared with and without PGMECl treatment(D)Inset of (C): equivalent currunt diagram.
• Fig.9  J⁃V curves of PSC after adding perovskite with different concentrations of PGMECl(A), EQE spectra of the control and target devices(B), reverse and forward scan J⁃V curves of the best PSCs with and without PGMECl(C)
• Table 1  Parameters of the PSCs with different amounts of PGMECl
• Table 2  Champion performance of devices prepared with and without PGMECl treatment measured under reverse and forward scan
• Fig.10  Stability of the control device and the target device under ambient conditions[(40±5)% RH] aging for 1000 hInset： water contact angles of the corresponding perovskite films.