CdS量子点中间层工程用于提升太阳能电池中SnO?/钙钛矿界面的性能

《Materials Today Chemistry》：CdS quantum dot interlayer engineering for enhanced SnO 2/perovskite interfaces in solar cells

本研究采用SILAR方法在SnO?电子传输层与钙钛矿吸收层之间沉积CdS量子点中间层，有效抑制界面氧空位，改善表面电势均匀性及电子提取效率，使太阳能电池效率提升约25%，为界面工程提供新策略。

　　

安德烈·F.V. 方塞卡（André F.V. Fonseca）|吉列尔梅·M. 格尔马诺（Guilherme M. Germano）|卢卡斯·斯卡隆（Lucas Scalon）|查尔斯·A.N. 德阿尔梅达（Charles A.N. de Almeida）|阿尔瓦罗·C.C. 巴拉（Alvaro C.C. Barra）|道格拉斯·S. 里贝罗（Douglas S. Ribeiro）|泽诺·C. 布兰当（Zeno C. Brand?o）|弗朗西斯科·C. 马克斯（Francisco C. Marques）|伊万·莫拉-塞罗（Iván Mora-Seró）|安娜·F. 诺盖拉（Ana F. Nogueira）

摘要

电子传输层（ETL）与钙钛矿吸收层之间的界面缺陷严重阻碍了钙钛矿太阳能电池（PSCs）的性能。在这项研究中，我们发现通过一种可扩展的连续离子层吸附和反应（SILAR）方法，在SnO₂上沉积CdS量子点（QD）中间层，可以提供一种实用且可扩展的策略来改善这一界面的电荷传输。CdS QD层不仅抑制了氧空位，还与SnO₂表面的羟基发生反应，从而提高了表面电位的均匀性并增强了电子提取速率。阻抗谱进一步证实了界面均匀性和电荷传输的改善，这些改善与更高的填充因子和短路电流密度相关。结果表明，CdS改性使PSCs的效率提高了约25%，这凸显了基于QD的界面工程在实现高性能PSCs方面的潜力。

引言

金属卤化物钙钛矿（MHPs）因其可定制的组成、可调的带隙以及出色的太阳能转换能力而成为卓越的光伏（PV）材料[1]。在大约十年的研究和开发之后，单结钙钛矿太阳能电池（PSCs）在功率转换效率（PCE）方面取得了显著进步[2]，迄今为止报道的最高效率的< />型PSCs大多使用了介孔TiO₂（mp-TiO₂）作为电子传输层（ETL）[3]。然而，制造这一层需要在高温（>450°C）下进行烧结，这与使用柔性基底不兼容[4]。因此，人们越来越关注用可以在较低温度下处理的材料来替代mp-TiO₂。替代ETL的关键特性包括导带最小值（CBM）与钙钛矿层的适当对齐、高透明度、宽带隙以及优异的导电性[5]。多种材料可以用作太阳能电池中的ETL，包括ZnO [5,6]、PCBM/C60 [7,8] 和 SnO₂ [6,7]。其中，SnO₂由于其出色的热稳定性、低成本生产和宽带隙，被广泛用作PSCs中的无机平面ETL，从而能够有效提取光生电荷[8]。此外，与广泛使用的TiO₂相比，SnO₂可以在显著更低的温度（约150°C）下处理，并且制造过程更为简单，同时具有更好的光学和电学性能[5]。

然而，尽管基于SnO₂的PSCs表现出优异的效率和稳定性，但在埋藏界面处SnO₂ ETL与钙钛矿层之间的耦合不完美仍然是一个挑战[9,10]。该界面处的缺陷状态会导致电荷复合，从而降低太阳能电池的开路电压（V_OC）和短路电流密度（J_SC[11,12]。此外，SnO₂表面的羟基可以与钙钛矿层相互作用，产生界面缺陷，对器件的性能和稳定性产生负面影响[11,13]。从材料兼容性的角度来看，SnO₂的热膨胀系数（TEC）相对较低，约为3.5 × 10^?6 K^?1[14]，这个值远低于钙钛矿的约33 × 10^?6 K^?1[17]，这可能会增加界面应力，从而影响长期稳定性和效率。

从其他光伏技术如薄膜CIGS [15,16]、PbS [17] 和 Sb₂Se₃ [18] 中可知，在ETL和吸收层之间沉积硫化镉（CdS）缓冲层可以提高性能和稳定性。一些先前的研究也探讨了CdS作为PSCs中间层的应用。例如，Akopian等人在CsPbBr₃器件中使用了热蒸发的CdS在TiO₂上，虽然需要在高温和真空条件下进行，但确实改善了V_OC[19]。其他研究要么完全用CdS替代ETL [20]，要么在mp-TiO₂上采用SILAR沉积[21,22]。研究领域还知道，在MHP薄膜的底部界面使用纳米结构材料可以提高PSCs的稳定性[23],[24],[25]。量子点（QDs）是一类有趣的纳米结构材料，研究人员通常喜欢它们的一些特性，如量子尺寸效应、多激子生成和表面特性效应[26,27]。在将QDs用作PSCs的界面修饰层后，研究人员发现各层之间的能级对齐得到了优化，从而促进了电荷传输。此外，QDs为钙钛矿提供了成核位点，支持其结晶，形成了更细小、更多的晶粒[23,28,29]。

在这项研究中，我们引入了一种薄的CdS量子点缓冲层来增强PSCs中的SnO₂–钙钛矿界面，使用了连续离子层吸附和反应（SILAR）技术，这是化学浴沉积（CBD）的一种变体。该技术具有操作条件温和、化学成分控制精确、简单以及适合大规模制造的优点[30,31]。CdS的热膨胀系数（TEC）略高于SnO₂，为4.5 × 10^?6 K^?1[32]，这表明CdS可能与钙钛矿层具有更好的机械兼容性。此外，我们发现CdS与钙钛矿层的晶格匹配更好，能量级对齐也更佳，有助于从钙钛矿向ETL高效传输电子。这种战略性的界面工程显著增强了电荷传输并提高了PSC的整体性能。

结果与讨论

在这项研究中，通过将一层薄薄的SnO₂纳米颗粒沉积在玻璃/掺铟氧化锡（ITO）基底上来组装ETL。然后，这些基底经过SILAR方法沉积CdS，该方法基于之前报道的方法并进行了一些修改；更多细节请参见支持性信息（SI）[33]。通过吸收光谱计算得出CdS层的带隙能量（E_g）为2.53 eV（图S1），高于块状CdS的报告值

CRediT作者贡献声明

安德烈·F.V. 方塞卡：撰写——原始草稿、可视化、验证、监督、项目管理、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化。吉列尔梅·M. 格尔马诺：撰写——审阅与编辑、方法论、概念化。卢卡斯·斯卡隆：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、方法论、研究。查尔斯·A.N. 德阿尔梅达：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、研究。阿尔瓦罗·C.C. 巴拉：方法论

注释

作者声明没有竞争性财务利益。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

AFVF和LS感谢圣保罗研究基金会（FAPESP）在以下项目中的支持（编号分别为：2023/10395-4、2024/05914-5、2020/04406-5、2021/12104-1。ZCB感谢FAPESP在项目（编号为：2023/09924-2）中的支持。FCM感谢CNPQ在项目（编号为：442014/2023-6）中的支持。AFN和FCM感谢FAPESP（项目编号为：2017/11986-5）以及Shell的支持，同时强调了ANP（巴西国家石油、天然气和生物燃料局）提供的战略支持的重要性。I.M.S.感谢...