氨水蒸汽热处理对ZnO基钙钛矿太阳能电池性能的影响

于超华 王艳香

摘 要：近几年，有机无机杂化钙钛矿电池（Perovskite solar cell， PSCs）得到很好的发展。因其具有低成本、高效率、工艺简单等特点。而ZnO电子传输层具有高的电子迁移率、高的透光率、合适的能级匹配等优点，成为PSCs中电子传输层的主要应用材料。本文采用溶胶-凝胶法制备了ZnO，研究了氨水蒸汽热处理法修饰ZnO电子传输层及对电池性能的影响。结果表明氨水用量为100μL，热处理的时间为30min时，电池性能最好，其光电转化效率（Photoelectric Conversion Efficiency，PCE）为10.26%。

关键词：钙钛矿太阳能电池;ZnO;电子传输层;氨水蒸汽热处理

1引言

PSCs从2009最初的PCE 3.8%的[1]，到现在的PCE达到25.2%[2]。在PSCs中电子传输层起着非常重要的作用：（1）阻挡空穴，传输电子，防止电子与空穴发生复合;（2）减少钙钛矿层与导电玻璃之间的能级壁垒;（3）避免钙钛矿层与导电玻璃直接接触，从而发生物理化学反应[3]。

本文研究了以溶胶-凝胶法制备ZnO电子传输层，通过氨水蒸汽热处理的方法提高ZnO薄膜的质量，从而提高了电池的光电性能。

2实验部分

2.1实验原料

掺氟的氧化锡导电玻璃（FTO）;二水乙酸锌（Zn（CH3COO）2·2H2O）;乙二醇甲醚（CH3CH2COOCH3）;单乙醇胺（NH2CH2CH2OH）;碘化铅（PbI2）;碘甲胺（CH3NH3I （MAI））2，2'，7，7'-四[N，N-二（4-甲氧基苯基） 氨基]-9，9'-螺二芴（Spiro-OMeTAD， ）;雙三氟甲烷磺酰亚胺锂（Li-TFSI， ）;4-叔丁基吡啶（TBP， C9H13N）;二甲基亚砜（DMSO， C2H6SO）;N， N-二甲基甲酰胺（DMF， C3H7NO， 99.8% ）;氯苯（C6H5Cl）;乙腈（C2H3N）;金（Au）。

2.2实验步骤

2.2.1 ZnO致密层的制备

将Zn（CH3COO）2·2H2O和NH2CH2CH2OH溶解在CH3CH2COOCH3中浓度为0.6M，搅拌10h，搅拌静置10h。量取80?LZnO溶胶，采用旋涂工艺制备种子层，转速为1000r/s 6s，3000r/s 30s。旋涂之后，放在加热板上温度为250℃，时间为10min，待冷却至室温后，重复旋涂一次。将ZnO薄膜放入FTO导电玻璃培养皿中，移取一定量的氨水滴到培养皿的中心，进行密封，然后放到加热板上100℃加热30min，然后冷却至室温。最后将FTO导电玻璃放入马弗炉中煅烧，升温速度为5℃/min，300℃保温10min，520℃保温15min。

3结果与讨论

如图1所示，从图（a）和（b）中可以看出纯ZnO薄膜的晶粒尺寸大小在20nm-30nm之间，薄膜也不够致密和均匀表面针孔和缺陷较多。从图（c）和（d）中可以看出经过修饰后形成的NH3-ZnO薄膜晶粒尺寸增大，大约在40nm-50nm之间，并且形成的NH3-ZnO薄膜也比较致密和均匀，表面的针孔和缺陷也减少。

从图2中可以看出，当氨水的用量为100μL时电池的性能最好，经过修饰的ZnO薄膜表面缺陷减少，减少了电子和空穴的复合几率，降低了电流的损失，所以Jsc得到了提高。而且经过修饰后的ZnO薄膜晶粒尺寸变大，减少了电子在传输过程中的晶界损失，使得在传输过程中的电阻减少，从而提高了电池的FF。

4结论

本文研究了氨水蒸汽热处理的方法对ZnO薄膜及钙钛矿太阳能电池性能的影响。当氨水的用量为100μL，热处理的时间为30min时，可以使ZnO薄膜变得更加致密和均匀，提高了其透光率，并且增大了ZnO薄膜的晶粒尺寸。高质量的ZnO薄膜，减少了电子和空穴的复合几率，减少了电流损失。因此，氨水热处理修饰ZnO薄膜可以提高钙钛矿太阳能电池的性能。

参考文献

[1] Kojima A， Teshima K， Shirai Y， Miyasaka T. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells[J]. Journal of the American Chemical Society， 2009，131（17）： 6050-6051.

[2]National Renewable Energy Laboratory （NREL） Best research cell efficiencychart;https：//www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-cell-efficiencies-190416.pdf .

[3] Jeng J， Chiang Y， Lee M， et al. CH3NH3PbI3 Perovskite/Fullerene Planar-Heterojunction Hybrid Solar Cells[J]. Advanced Materials， 2013， 25（27）：3727-3732.