通过碘化锌钝化层提升碘化铋敏化量子点敏化太阳能电池的性能稳定性

《Physica B: Condensed Matter》：Enhancement of Performance Stability of BiI 3-sensitized QDSSCs by ZnI 2 Passivation Layer

　　**摘要**- 通过引入 ZnI?-钝化层，增强了 BiI?-敏化量子点敏化太阳能电池（QDSSCs）的性能稳定性。- BiI? 被用作量子点敏化剂进行光吸收。- ZnI?-钝化器件实现了 5.61% 的最大功率转换效率（PCE），在 20 天周期性测试后的降解率为 37.96%，优于未钝化器件。**引言**本研究通过引入 ZnI? 作为钝化层，并使用固态电解质，解决了 BiI?-敏化量子点敏化太阳能电池（QDSSCs）性能差和稳定性差的问题，以提高其性能和稳定性。QDSSCs 已成为下一代光伏技术的潜在候选者，主要归功于量子点（QD）光收集材料独特的光电特性、更宽的太阳光谱吸收范围以及每个光子产生多个电子-空穴对的能力，以及实现高 PCE 的前景 [1]。然而，其应用和商业化也受到性能稳定性差的阻碍，这与各种器件组件密切相关，包括量子点类型、电解质的反应性、光电极的性质以及对电极的电催化行为 [2, 3, 4]。在 QDSSCs 中，量子点因其卓越的光电特性而取代染料。量子点是具有尺寸依赖的化学和物理特性的纳米级半导体材料。相比之下，对于染料敏化太阳能电池（DSSCs），涉及的染料分子可能会随时间从 TiO? 表面脱离，从而引起效率衰减 [5]。许多传统使用的染料仅在太阳光谱的可见区域吸收 [6]。相反，量子点的显著特性包括可调能带隙、窄发射光谱、大吸收系数、热电子注入的可能性、多个激子产生（MEG）、高摩尔消光系数、良好的光稳定性以及通过量子尺寸限制调节吸收光谱的能力 [7, 8]。此外，在 QDSSCs 中，量子点分子在更长时间内不会从电子传输材料（如 TiO?）表面脱离。许多类型的量子点已用于 QDSSCs，如 CdS 和 PbS [9]。传统 QDSSCs 已获得 18.1% 的效率 [10]。尽管通过镉基和铅基硫族化合物敏化剂对 QDSSCs 的效率和稳定性提升做出了重大努力，但由于这些元素的毒性和严重的界面复合 [11, 12, 13]，仍存在一些问题。例如，通过 10% 摩尔% Mn-CdS 量子点实现了 2.85% 的最大 PCE，这高于裸 CdS 量子点基器件的 2.11% PCE。Mn-CdS 量子点基器件在硫化物/多硫化物电解质中表现出更好的稳定性，超过 10 小时，导致高度可重复的性能，优于 CdS 量子点基器件 [14]。同样，CdSe?Te??? 获得了 6.36% 的高性能，在 500 小时内具有更好的稳定性 [15]。但金属硫族化合物量子点材料的环境毒性导致难以实现长期稳定性，这已成为其用于太阳能电池应用的重要障碍。与金属硫族化合物基敏化剂相比，三碘化铋（BiI?）无毒、成本低且表现出良好的稳定性，使其成为 QDSSCs 中新一代光敏化剂的突出选择 [16, 17]。更重要的是，BiI? 是一种众所周知的半导体，具有 1.67-1.90 eV 的窄带隙和在可见光到近红外光谱中超过 10? cm?1 的高吸收系数 [18, 19]。先前的研究已证明基于 BiI? 的太阳能电池的可行性。例如，通过气相生长的三维 BiI? 纳米片制造的太阳能电池实现了 1.45% 的 PCE，但表现出严重的降解，在连续光照 24 小时后损失了 96% 的初始效率。三维器件中光生载流子分离和收集的增强以及 BiI? 卓越结晶性中的陷阱辅助复合是获得该效率的原因；然而，结晶性可能仍需进一步改善以提高效率 [20]。在另一种构型中，通过碘化 BiSI 薄膜制备的全无机 ITO/V?O?/BiI?/ZnO/Ag 器件达到了 1.33% 的 PCE。它们在干空气条件下保持了相对稳定的性能超过 100 天 [21]。然而，其低 PCE 是由于与 BiI? 相比空穴传输层 V?O? 的低价带值，这限制了其应用。基于液态电解质报道的 BiI?-敏化太阳能电池的最高效率仅为 4.37% [19]。低效率可能是由于液态电解质的泄漏和挥发缺陷导致所制造器件稳定性差 [22]。液态电解质中存在的水分子也可以吸附在半导体的表面 [23]。这些特性表明，液态电解质很容易渗透 TiO?/BiI? 界面，导致 BiI? 分解并增强界面复合，这限制了 BiI? 太阳能电池器件的效率和稳定性。固态电解质可以有效克服挥发和泄漏问题，使其成为具有长期稳定性的 QDSSCs 的理想候选者 [22]。此外，在量子点/电解质界面处设置屏障对于最小化电解质诱导的分解至关重要。为此，界面钝化层是最佳策略，它导致更长的载流子寿命和更大的电荷转移电阻，从而提高电池性能 [24]。ZnS 和 ZnSe 历来被用作钝化层。ZnS 的更高导带边使其能产生更大的能垒。然而，它也与 TiO? 和量子点（如 CdSe 和 CuInSe?）存在较大的晶格失配，这导致产生更多的缺陷态。相反，ZnSe 具有相对较低的导带边但与 TiO? 和量子点的小失配 [25]。另一方面，卤化物基（ZnI?）界面钝化层可以减少界面缺陷和陷阱态，增强量子点和电子传输层之间的电连接 [26]。但 ZnI? 经常溶解在水溶液中，因此使用固态电解质比液态电解质更好。在本工作中，通过在 TiO?/BiI? 和电解质界面处引入 ZnI? 作为钝化层，改进了 BiI?-敏化 QDSSCs 的性能稳定性，该钝化层作为 TiO?/BiI? 和电解质界面之间的保护屏障，并且在器件中使用了典型的固态电解质。此外，将胆碱碘化物掺入固态电解质中促进了氧化还原物种的运动，从而增强了电荷传输并有助于提高太阳能电池性能。未钝化器件在 10 天的周期性测试后仅保留了 7.93% 的初始 PCE，对应于 92.07% 的降解。另一方面，ZnI?-钝化器件表现出最佳性能，在 20 天的周期性测试期间保留了 62.04% 的初始 PCE（从 5.61% 降至 3.48%）。暗态 J-V 测量显示，ZnI?-钝化器件的泄漏电流非常小，表明电荷复合受到抑制。此外，用 ZnI? 处理的器件在正向偏压条件下表现出显著更大的正向电流和更明显的电流增加，优于未钝化器件。这些结果表明，ZnI? 有效地保护了 BiI?-敏化光电极免受光照下电解质诱导的降解。本工作突出了卤化物基钝化层在获得比未钝化太阳能电池更好的 BiI?-敏化太阳能电池性能方面的潜力。**章节片段****TiO? 光电极制备、BiI? 敏化和 ZnI? 钝化工艺**首先，将清洁的 FTO 基底在 70°C 下进行 TiCl? 预处理 1 小时。然后，通过刮刀法制备另一层 TiO? 薄膜，方法是将 1.5 g TiO? (P25) 纳米颗粒用 0.6 mL 乙酸（两次）、1.2 mL 去离子水和 3 mL 乙醇洗涤，并溶解在 12 mL 乙醇中，然后与用 12 mL 乙醇制备的 0.6 g 乙基纤维素 (M-70) 混合。将上述溶液在 80°C 下加热并搅拌，获得所需粘度的 TiO? 浆料。**表征**使用配备 Cu Kα 辐射（λ = 1.5418 ?）的 Rigaku SmartLab 高分辨率衍射仪，通过 X 射线衍射（XRD）研究薄膜的结构特性。测量在 45 kV 的工作电压和 200 mA 的电流下进行，扫描速率为 8°/min。使用 Axis Ultra DLD 系统通过 X 射线光电子能谱（XPS）检查各组分的化学组成和电子态。表面**结果与讨论**图 2a 和 2b 显示了 FTO/TiO?/BiI? 和 FTO/TiO?/BiI?/ZnI? 薄膜的分析 XRD 图谱，表明在 BiI?-敏化 TiO? 光电极薄膜上添加 ZnI? 钝化层前后，光电极薄膜中不存在杂质或二次衍射图谱。SnO?、TiO?、BiI? 和 ZnI? 峰分别与标准 PDF#46-1088、PDF#21-1272、PDF#48-1795 和 PDF#21-1479 对齐。此外，从...获得了 SnO? 对应的衍射峰**结论**本研究证明，BiI?-敏化 QDSSCs 的性能稳定性可以显著归因于引入卤化物基钝化层。ZnI?-钝化器件表现出最高效率（5.61% PCE）和优异的稳定性，在 20 天周期性测试后保留了 62.04% 的初始效率，对应于 37.96% 的降解。这高于未钝化器件，后者表现出 4.04% 的最大 PCE，且仅保留了其初始效率的 7.93%。**CRediT 作者贡献声明****Kezhen Hui:** 写作 – 审阅与编辑。**Ye Feng Wang:** 写作 – 审阅与编辑。**Jing Hui Zeng:** 写作 – 审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取。**Shahroz Saleem:** 写作 – 原稿，软件，方法学，形式分析，数据整理。**Tian-Yi Hu:** 写作 – 审阅与编辑**利益冲突声明**作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文报道的工作。**数据可用性**数据将在负责任的要求下提供。**利益冲突声明**作者声明本研究中描述的工作不会受到任何已知的竞争性经济利益或个人关系的影响。**致谢**本工作得到了中央高校基本科研业务费项目（项目编号：202101007）的支持。作者：Shahroz Saleem | Tian-Yi Hu | Kezhen Hui | Ye Feng Wang | Jing Hui Zeng