基于SnO2电子传输层的n-i-p型钙钛矿太阳能电池关键技术研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22072

发电技术 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (1): 63-77.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.22072

基于SnO₂电子传输层的n-i-p型钙钛矿太阳能电池关键技术研究

岳晓鹏¹^,², 赵兴¹, 闫慧琳¹, 樊冰冰¹, 黄浩¹, 闫路遥¹, 崔鹏¹, 马峻峰¹, 李美成¹

^1.华北电力大学新能源学院, 北京市昌平区 102206
^2.河北工程大学能源与环境工程学院, 河北省邯郸市 056038

收稿日期:2022-04-07 出版日期:2023-02-28 发布日期:2023-03-02
作者简介:岳晓鹏(1981)，女，硕士，讲师，研究方向为钙钛矿太阳能电池，yue28109@163.com；
赵兴(1989)，女，博士，讲师，研究方向为新能源材料与器件，zhaoxing8921@163.com；
闫慧琳(2000)，女，研究方向为钙钛矿太阳电池，120181100326@ncepu.edu.cn；
樊冰冰(1992)，女，博士，实验员，研究方向为新能源材料与器件，bbfan@ncepu.edu.cn；
黄浩(1994)，男，博士研究生，研究方向为钙钛矿太阳能电池，120192111173@ncepu.edu.cn；
闫路遥(1996)，女，博士研究生，研究方向为钙钛矿太阳能电池，luyaoyan@ncepu.edu.cn；
崔鹏(1991)，男，博士，讲师，研究方向为新型太阳电池材料特性与器件设计，cuipeng@ncepu.edu.cn；
马峻峰(1962)，男，博士，教授，研究方向为新能源材料与光电技术，清洁能源与高效光催化材料，majunfeng01@sina.com；
李美成(1973)，男，博士，教授，研究方向为新能源与可再生能源，本文通信作者，mcli@ncepu.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金项目(51972110);北京市自然科学基金项目(2222076);新能源电力系统国家重点实验室自主课题(LAPS202114);华能集团科技项目(HNKJ20-H88);中央高校基本科研业务费项目(2020MS023);华北电力大学双一流建设项目

Research of Key Technologies for n-i-p Perovskite Solar Cells With SnO₂ Electron Transport Layer

Xiaopeng YUE¹^,², Xing ZHAO¹, Huilin YAN¹, Bingbing FAN¹, Hao HUANG¹, Luyao YAN¹, Peng CUI¹, Junfeng MA¹, Meicheng LI¹

^1.School of New Energy, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China
^2.School of Energy and Environmental Engineering, Hebei University of Engineering, Handan 056038, Hebei Province, China

Received:2022-04-07 Published:2023-02-28 Online:2023-03-02
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(51972110);Natural Science Foundation of Beijing(2222076);Independent Subject of State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources(LAPS202114);Huaneng Group Science Technology Project(HNKJ20-H88);Fundamental Research Funds for the Central Universities(2020MS023);Double First-class Construction Project of North China Electric Power University

摘要/Abstract

摘要：

钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells，PSCs)由于光电转换效率高、制备工艺简单、成本低等优势受到广泛关注，电池效率已从3.8%提升到25.7%。目前，对基于SnO₂电子传输层的n-i-p型平板结构电池的研究越来越多，但存在着工艺可重复性差、效率低等问题。针对n-i-p型平板结构PSCs的制备进行了系统的研究，包括导电基底的选择、钙钛矿制备工艺参数的优化以及电池存储环境。结果证明，上述参数对于电池均具有重要影响，并结合扫描电子显微镜、X射线衍射、吸收光谱分析了原因。在最优工艺条件下(掺锡氧化铟基底，PbI₂ 退火温度70 ℃(1 min)，胺盐溶液滴加后静置时间不超过5 s，存储湿度4.5%)，器件平均效率达到21.85%，最高效率达到23.47%，迟滞可忽略，具有良好的可重复性。研究结果可为制备重复性好、光电转换效率高的PSCs提供科学支撑。

关键词: 钙钛矿太阳能电池(PSCs), n-i-p, SnO₂, 高效率, 可重复性

Abstract:

Perovskite solar cells (PSCs) have attracted extensive attentions due to their high-efficiency, simple preparation process and low-cost. The efficiency of the PSCs has increased from 3.8% to 25.7%. So far, more and more studies focus on n-i-p structured PSCs using SnO₂ as electron transport layer. However, its process reproducibility is relatively poor, and efficiency is still low. This report conducted a systematic study of planar n-i-p PSCs, mainly including the selection of transparent conductive oxide (TCO) glass, optimization of preparation parameters and the influence of storage conditions on device performance. Experimental results show that these parameters have an important impact on the device performance. At the same time, it was analyzed by scanning electron microscope, X-ray diffraction, absorption spectrum. The devices achieved an average efficiency of 21.85% and a highest efficiency of 23.47% with good reproducibility under the optimal conditions (Indium Tin oxide substrate, PbI₂ annealed at 70 ℃ for 1 min, standing time after dropping amine salt solution is less than 5 s, and stored in 4.5% humidity environment). This work provides scientific support for the preparation of high-efficiency and repeatable PSCs.

Key words: perovskite solar cells (PSCs), n-i-p, SnO₂, high-efficiency, reproducibility

中图分类号:

TK 01

岳晓鹏, 赵兴, 闫慧琳, 樊冰冰, 黄浩, 闫路遥, 崔鹏, 马峻峰, 李美成. 基于SnO₂电子传输层的n-i-p型钙钛矿太阳能电池关键技术研究[J]. 发电技术, 2023, 44(1): 63-77.

Xiaopeng YUE, Xing ZHAO, Huilin YAN, Bingbing FAN, Hao HUANG, Luyao YAN, Peng CUI, Junfeng MA, Meicheng LI. Research of Key Technologies for n-i-p Perovskite Solar Cells With SnO₂ Electron Transport Layer[J]. Power Generation Technology, 2023, 44(1): 63-77.

图/表 28

图1 钙钛矿太阳能电池结构示意图

Fig. 1 Schematic diagram of PSCs structure

图2 基于FTO与ITO基底钙钛矿太阳能电池各性能参数箱式对比图

Fig. 2 Box comparison diagram of performance parameters of PSCs based on FTO and ITO substrates

图3 基于FTO与ITO基底最优电池J-V特性曲线图

Fig. 3 J-V curves of the optimal PSCs based on FTO and ITO substrates

表1 基于FTO和ITO基底的最优电池性能参数

Tab. 1 Best performing photovoltaic parameters of PSCs based on FTO and ITO substrates

TCO	J_sc/（mA/cm²）	V_oc/V	F_F/%	P_CE/%
FTO	22.34	1.11	71.73	17.78
ITO	23.27	1.11	75.43	19.47

图4 不同PbI2退火温度下电池性能参数箱式分布图

Fig. 4 Box distribution diagram of performance parameters of PSCs at different annealing temperatures of PbI2

图5 不同PbI2退火温度下最优电池J-V性能曲线图

Fig. 5 J-V curves of optimal PSCs annealed at different annealing temperatures of PbI2

表2 不同PbI2退火温度下最优电池特性参数值

Tab. 2 Best performing photovoltaic parameters of PSCs at different annealing temperatures of PbI2

T/℃	J_sc/（mA/cm²）	V_oc/V	F_F/%	P_CE/%
65	19.55	1.06	71.18	14.86
70	23.77	1.14	75.05	20.26
75	24.12	1.10	73.44	19.42

图6 PbI2不同退火温度下制备钙钛矿薄膜SEM表面形貌图

Fig. 6 Perovskite film SEM images based on PbI2 at different annealing temperatures

图7 PbI2不同退火温度下制备钙钛矿薄膜吸收光谱图

Fig. 7 Absorption spectra of perovskite thin films prepared by PbI2 at different annealing temperatures

图8 不同PbI2退火温度下制备钙钛矿层的XRD图

Fig. 8 Perovskite XRD spectrum at different annealing temperatures of PbI2

图9 退火温度为70 ℃时，不同PbI2退火时间下的电池性能参数箱式分布图

Fig.9 Box diagram of performance parameters of PSCs under different annealing time of PbI2 at 70 ℃

图10 退火温度为70 ℃时，不同PbI2退火时间下的最优电池J-V性能曲线图

Fig. 10 J-V curves of the optimal PSCs under different annealing time of PbI2 at 70 ℃

表3 退火温度为70 ℃时，不同PbI2退火时间下最优电池特性参数

Tab. 3 Best performing photovoltaic parameters of PSCs based on PbI2 annealed at 70 ℃ with different annealing time

t/s	J_sc/（mA/cm²）	V_oc/V	F_F/%	P_CE/%
55	23.27	1.11	75.43	19.47
60	23.77	1.14	75.05	20.26
65	23.73	1.10	75.11	19.54

图11 PbI2退火时间(退火温度为70 ℃)不同所得钙钛矿薄膜的表面SEM图

Fig. 11 Perovskite film SEM images based on PbI2 at different annealing time of 70 ℃

图12 退火温度为70 ℃时，不同PbI2 退火时间条件下钙钛矿薄膜的吸收光谱图

Fig. 12 Absorption spectra of perovskite thin films based on PbI2 annealed at 70 ℃ with different annealing time

图13 退火温度为70 ℃时，不同PbI2退火时间制备钙钛矿层XRD图

Fig. 13 Perovskite XRD spectrum under different annealing time of PbI2 at 70 ℃

图14 滴加胺盐溶液后不同静置时间下的电池性能参数箱式分布图

Fig. 14 Box diagram of performance parameters of PSCs under different standing time after dropping amine salt solution

表4 滴加胺盐溶液后不同静置时间下最优电池特性参数

Tab. 4 Best performing photovoltaic parameters of PSCs under different standing time after dropping amine salt solution

t/s	J_sc/（mA/cm²）	V_oc/V	F_F/%	P_CE/%
0	24.17	1.16	79.57	22.26
5	24.21	1.16	78.80	22.07
10	24.21	1.11	79.56	21.29

图15 滴加胺盐溶液后不同静置时间下的最优电池J-V图

Fig. 15 J-V curves of optimal PSCs under different standing time after dropping amine salt solution

图16 滴加胺盐溶液后不同静置时间所得钙钛矿薄膜的表面SEM图

Fig. 16 Perovskite film SEM images under different standing time after dropping amine salt solution

图17 滴加胺盐溶液后不同静置时间所得钙钛矿薄膜吸收光谱图

Fig. 17 Absorption spectra of perovskite thin films obtained after dripping amine salt solution for different standing time

图18 滴加胺盐溶液后不同静置时间的XRD图

Fig. 18 Perovskite XRD spectrum under different standing time after dropping amine salt solution

图19 不同存储湿度条件下太阳电池性能参数分布图

Fig.19 Distribution diagram of performance parameters of PSCs under different storage humidity conditions

表5 不同存储湿度条件下最优太阳电池性能参数表

Tab. 5 Photovoltaic parameters of PSCs under different storage humidity conditions

相对湿度/%	测试时间	J_sc/(mA/cm²)	V_oc/V	F_F/%	P_CE/%
4.5	初始值	23.61	1.16	78.90	21.56
4.5	1天后	24.11	1.16	76.56	21.36
20	初始值	23.50	1.11	69.84	18.14
20	1天后	23.60	1.05	48.77	12.12

图20 在不同存储湿度条件下最优太阳电池J-V特性曲线变化

Fig. 20 J-V curves change of optimal PSCs under different storage humidity conditions

图21 15个优化工艺后太阳电池正、反扫性能参数箱式图对比

Fig. 21 Box diagram comparison of performance parameters of 15 PSCs scanned at forward and backward direction using optimized processes

图22 最佳工艺条件下钙钛矿太阳电池光伏特征

Fig. 22 Photovoltaic performance of champion PSCs under optimal condition

表6 最优条件下冠军器件光伏特性参数

Tab. 6 Photovoltaic parameters of champion PSCs under optimal condition

冠军电池	J_sc/（mA/cm²）	V_oc/V	F_F/%	P_CE/%
反扫	24.82	1.144	79.76	22.65
正扫	24.89	1.161	81.19	23.47

参考文献 32

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基于SnO₂电子传输层的n-i-p型钙钛矿太阳能电池关键技术研究

Research of Key Technologies for n-i-p Perovskite Solar Cells With SnO₂ Electron Transport Layer

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