周　立　朱　俊　徐亞峰　邵志鵬　張旭輝葉加久　黃　陽　張昌能　戴松元,3,*

(1安徽大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院，合肥230601；2中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院應(yīng)用技術(shù)研究所，合肥230031；3華北電力大學(xué)新型薄膜太陽電池北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206)

絕緣氧化物包覆對鈣鈦礦太陽電池性能及界面電荷復(fù)合動力學(xué)的影響

周立1朱俊2,*徐亞峰2邵志鵬2張旭輝2葉加久2黃陽2張昌能2戴松元2,3,*

(1安徽大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院，合肥230601；2中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院應(yīng)用技術(shù)研究所，合肥230031；3華北電力大學(xué)新型薄膜太陽電池北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206)

采用浸漬法對鈣鈦礦太陽電池的介孔層TiO2納米顆粒進(jìn)行了SiO2、ZrO2、Al2O3幾種絕緣氧化物包覆，研究了其對電池光伏性能以及界面電荷復(fù)合動力學(xué)的影響。結(jié)果表明，SiO2包覆之后，電池的填充因子(FF)從67.6%提高到72.3%，光電轉(zhuǎn)換效率提升到13.7%，ZrO2和Al2O3包覆導(dǎo)致電池開路電壓提升約50 mV，但是短路電流(Jsc)和填充因子略有下降。采用納秒時間尺度的瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)，從時間分辨的角度分析了鈣鈦礦電池界面的電子和空穴的復(fù)合壽命，對電池性能的變化給出了合理的解釋。

鈣鈦礦太陽電池；復(fù)合壽命；瞬態(tài)吸收；表面包覆；金屬氧化物

1　引言

有機(jī)/無機(jī)雜化鈣鈦礦(CH3NH3PbX3，X=Cl, Br,I)太陽電池自2009年開始獲得了迅速發(fā)展1，光電轉(zhuǎn)換效率得到飛快提升，目前已經(jīng)突破了20%2，并且還具有很大的上升空間3。鈣鈦礦太陽電池之所以發(fā)展這么快，主要由于其具有很多優(yōu)異的性能：長的載流子壽命與擴(kuò)散長度，較高的載流子遷移率和介電常數(shù)，并且電池制作工藝簡單，價格低廉。其中，探究鈣鈦礦太陽電池內(nèi)部各層之間的電荷傳輸及復(fù)合過程對更加深刻地理解鈣鈦礦太陽電池的工作原理，并且對進(jìn)一步提升電池效率具有很重要的指導(dǎo)意義。目前已經(jīng)有不少相關(guān)的研究成果報道4－8。這些報道指出，鈣鈦礦電池內(nèi)部主要存在兩個復(fù)合過程，分別是電子傳輸層和鈣鈦礦層之間的復(fù)合(其復(fù)合時間大概約為10－1μs)9，以及電子傳輸層和空穴傳輸層之間的復(fù)合(復(fù)合壽命往往長于10 μs)10－12。

對作為電子傳輸層的TiO2納米顆粒表面進(jìn)行包覆是染料敏化太陽電池中常見的抑制電池內(nèi)部復(fù)合的方法。Kay和Gr?tzel13采用Y2O3對納米TiO2顆粒進(jìn)行原位包覆并將其應(yīng)用于DSC中，提高了開路電壓和填充因子。Palomares等14指出，Al2O3包覆可以將TiO2導(dǎo)帶電子與電解液的復(fù)合時間常數(shù)增長，從102μs的時間尺度提高到ms的量級，復(fù)合時間大概增長了1個數(shù)量級。目前在鈣鈦礦太陽電池中關(guān)于氧化物包覆對電池性能影響的研究較少15，而這對于揭示電池界面復(fù)合機(jī)理有重要的意義。本文首先研究多孔TiO2表面包覆SiO2、ZrO2、Al2O3幾種氧化物，對電池性能的影響，然后借助于納秒瞬態(tài)吸收光譜儀(ns-TAS)，對鈣鈦礦電池進(jìn)行內(nèi)部電荷復(fù)合的動力學(xué)研究，直觀地揭示了電荷復(fù)合時間常數(shù)的變化，對電池開路電壓的提高提供了合理的解釋。

2　實(shí)驗(yàn)部分

2.1鈣鈦礦太陽電池的制備

首先使用4000 r?min－1的速度旋涂TiO2致密層前驅(qū)液30 s，后在500°C退火30 min。緊接著旋涂TiO2骨架層：將TiO2漿料和乙醇按照1:3.5的體積比混合攪拌均勻，用3000 r?min－1的速度旋涂，再500°C退火30 min，將濃度為1 mol?L－1的PbI2溶液旋涂在多孔TiO2薄膜上(轉(zhuǎn)速3000 r?min－1，時長30 s)，旋涂之后在室溫下放置10 min左右，再放置在70°C的加熱臺上退火30 min；冷卻后，將100 μL濃度為10 mg?mL－1的CH3NH3I溶液旋涂在PbI2薄膜上(轉(zhuǎn)速3000 r?min－1，時長30 s)，顏色由黃色變?yōu)楹谏瑯釉?0°C的加熱臺上加熱30 min。待CH3NH3PbI3薄膜冷卻后，將配置好的Spiro-OMeTAD溶液旋涂于CH3NH3PbI3上(轉(zhuǎn)速4000 r?min－1，時長20 s)，最后在其上面蒸鍍一層60 nm 的Au電極，制備好的雜化太陽電池的有效面積為0.09 cm2 16－19。

2.2絕緣氧化物包覆層的制備

將TiO2薄膜放在包覆層前驅(qū)液中進(jìn)行處理，處理完后，再用干燥的異丙醇沖洗3遍(操作需要在充滿氮?dú)獾氖痔紫渲羞M(jìn)行)，然后在500°C燒結(jié)30 min。包覆層前驅(qū)液處理分別為：5 mmol?L－1的仲丁醇鋁異丙醇溶液處理30 s，5 mmol?L－1的正丙醇鋯異丙醇溶液處理30 s，10 mmol?L－1的四乙氧基硅烷的異丙醇溶液處理30 min。

2.3儀器測試

納秒瞬態(tài)吸收光譜的測試由LKS80系統(tǒng)(激發(fā)光源為Nd:YAG激光器，脈沖寬度為4 ns，重復(fù)頻率5 Hz，激發(fā)光強(qiáng)為120－157 μJ?cm－2，近紅外波長的檢測器為InGaAs檢測器)進(jìn)行。

掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線能譜元素分析(EDS)的測試采用德國蔡司ZEISS ΣIGMA(由FDS提供)進(jìn)行。

3　結(jié)果與討論

3.1氧化物包覆的微結(jié)構(gòu)分析

為了證實(shí)絕緣氧化物確實(shí)包覆成功，對用三種不同包覆前驅(qū)液處理過的TiO2進(jìn)行X射線光電子能譜分析(XPS)，其結(jié)果如圖1和圖2所示。能譜中的主要峰是由O和Ti兩種元素構(gòu)成，C元素峰的出現(xiàn)可能是由于樣品暴露在空氣中而偶然帶進(jìn)去的，每個樣品的XPS圖中都含有此峰20。用ZrO2處理過的TiO2樣品的XPS圖(圖1和圖2b)中在183 eV附近出現(xiàn)了Zr 3d的峰，這說明ZrO2表面處理確實(shí)成功地修飾了介孔TiO2的表面。同理，用Al2O3處理過的樣品中，74 eV附近也出現(xiàn)了Al 2p的峰(圖1和圖2c)；對于SiO2處理過的樣品，在101 eV位置處，Si 2p的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩個樣品的含量(由于樣品是制備在載玻片上，所以3種樣品中都檢測出了Si元素的峰)，也表明了SiO2表面處理成功地包覆了介孔TiO2。同時，為了說明包覆的均勻性，還對樣品進(jìn)行了掃描電子顯微鏡表面掃描(SEM mapping)測試。圖3(b－d)分別表示圖3(a) SEM圖中矩形區(qū)域表面處O、Ti、Zr三種元素的表面分布，圖3(d)是Zr元素的分布，可以看出ZrO2確實(shí)在TiO2表面分布比較均勻。

圖1　絕緣氧化物包覆TiO2介孔層的XPS圖Fig.1　X-ray photoelectron spectroscopy(XPS)for insulating oxides coated TiO2mesoporous layer

3.2包覆對鈣鈦礦薄膜光學(xué)性質(zhì)的影響

鈣鈦礦CH3NH3PbI3的吸收光譜比較寬，禁帶寬度大概在1.5 eV左右，為了更清楚地研究所做的鈣鈦礦薄膜的光學(xué)特性，進(jìn)行了紫外-可見(UVVis)吸收及熒光(PL)測試，如圖4所示。從UV-Vis圖可以看出，從300 nm一直到800 nm的光都有吸收，鈣鈦礦的激子束縛能比較小，因?yàn)椴]有發(fā)現(xiàn)明顯尖銳的吸收峰，一旦被光激發(fā)，基本上就以自由載流子的形式存在9。包覆氧化物后的鈣鈦礦樣品的UV-Vis吸收光譜和包覆前的幾乎重合，而PL峰值在775 nm附近，相對于UV-Vis吸收光譜，有稍許的紅移現(xiàn)象(Stoke位移)，這是由于電子被激發(fā)到導(dǎo)帶后，從導(dǎo)帶內(nèi)的較高能級弛豫到最低激發(fā)態(tài)上所導(dǎo)致的。并給出了氧化物骨架層對CH3NH3PbI3穩(wěn)態(tài)熒光強(qiáng)度的影響，其中，圓圈曲線是在玻璃基底上直接旋涂CH3NH3PbI3所測得的PL圖；三角形曲線對應(yīng)樣品TiO2/CH3NH3PbI3。在這里，TiO2作為鈣鈦礦被光激發(fā)后的電子受體，從圖上可以很明顯的看出，TiO2對鈣鈦礦的熒光起到了很強(qiáng)的猝滅作用，這說明鈣鈦礦被光激發(fā)后，電子很快地轉(zhuǎn)移到了介孔TiO2上，矩形曲線對應(yīng)介孔TiO2被ZrO2包覆的樣品，簡寫為TiO2(ZrO2)/CH3NH3PbI3，經(jīng)過ZrO2包覆處理后的TiO2，對鈣鈦礦熒光的猝滅效果基本上沒什么變化。同時，也對包覆SiO2和Al2O3后的TiO2膜做了穩(wěn)態(tài)熒光測量，熒光強(qiáng)度也基本保持不變?？梢钥闯?，

經(jīng)過包覆處理后，鈣鈦礦仍然能向TiO2傳遞電子。

圖2　TiO2被包覆后的(a)Si、(b)Zr、(c)Al元素的XPS全譜圖Fig.2　Survey XPS spectra of(a)Si,(b)Zr,(c)Al for insulating oxides coated TiO2

3.3鈣鈦礦電池的光伏性能

圖5是經(jīng)過用不同包覆層處理后得到電池的電流密度與電壓(J－V)特性曲線圖。從J－V數(shù)據(jù)上來分析(不做任何處理的記為PSC-control)，用四乙氧基硅烷處理后(記為PSC-Si)，開路電壓(Voc)和短路電流(Jsc)基本上不變，有較大提升的是填充因子(FF)(從67.6%提升到了72.3%)，效率從12.18%上升到13.7%；而用仲丁醇鋁(記為PSC-Al2O3)和正丙醇鋯(記為PSC-ZrO2)處理后的電池，Voc得到了較大提升，但是Jsc和FF卻下降了，導(dǎo)致總體效率也下降。同時發(fā)現(xiàn)，處理時間對電池性能的影響不大，而處理濃度對電池性能的影響較大。圖6統(tǒng)計了不同濃度前驅(qū)液修飾TiO2后對鈣鈦礦太陽電池短路電流Jsc的影響情況，從圖中可以看出，SiO2處理后，前驅(qū)液濃度對電池的Jsc基本沒有影響，而用ZrO2和Al2O3處理后的電池，隨著前驅(qū)液濃度的增加，Jsc降低的越來越嚴(yán)重，很有可能是隨著濃度的增加，包覆層的厚度也隨著增加，最終阻礙了鈣鈦礦上的電子向TiO2注入的效率，所以，對包覆層厚度的控制也很重要21。

圖3　介孔TiO2包覆ZrO2后的表面SEM圖(a)和(a)中矩形區(qū)域表面O，Ti，Zr三種元素的SEM mapping圖(b－d)Fig.3　Top-view SEM image of ZrO2coated TiO2(a)and elemental mapping of O,Ti,and Zr by SEM mapping(b－d)for the rectangular area in figure(a)

3.4瞬態(tài)吸收動力學(xué)測量

當(dāng)有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦(CH3NH3PbI3)加上電子傳輸層(TiO2)和空穴傳輸層(Spiro-OMeTAD)時，一旦CH3NH3PbI3被光激發(fā)，電子(e－)和空穴(h+)分別轉(zhuǎn)移到各自層上(電子(e－)從CH3NH3PbI3的導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移到TiO2的導(dǎo)帶上，空穴(h+)從CH3NH3PbI3的價帶轉(zhuǎn)移到Spiro-OMeTAD的價帶上)，如果沒有外接回路，電子和空穴就要在內(nèi)部進(jìn)行復(fù)合，而這一個過程的快慢直接影響到電池的性能(如圖7所示)22，為了探究這一個過程究竟是如何影響電池性能的，采用瞬態(tài)吸收光譜(TAS)直接觀察內(nèi)部這些載流子的運(yùn)動機(jī)理。

圖4　不同淬滅層CH3NH3PbI3的紫外-可見吸收譜(左)和穩(wěn)態(tài)熒光(PL)圖(右)Fig.4　UV-Vis absorption spectrum(left)and steady-state photoluminescence(PLright)of CH3NH3PbI3with different quencher layers

圖5　帶不同絕緣氧化物包覆層的鈣鈦礦太陽電池的J－V曲線Fig.5　J－V curves of perovskite solar cells with different insulating oxide coating layersPSC-control:without coating layer;PSC-Si:SiO2coating; PSC-Zr:ZrO2coating;PSC-Al:Al2O3coating. Tested under 100 mW?cm－2,AM 1.5,effective area is 0.09 cm2.

圖6　前驅(qū)液處理濃度對電池的短路電流(JSC)的影響Fig.6　Influence of precursor solution concentration on the short-circuit current density(JSC)of perovskite solar cells

近紅外波段能夠有效的排除掉CH3NH3PbI3的吸收信號，已經(jīng)證明氧化態(tài)Spiro-OMeTAD在近紅外波段有較強(qiáng)的瞬態(tài)吸收信號23,24，因此選取1100 nm作為探測波長去探測空穴在Spiro-OMeTAD上的信號。樣品CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD的瞬態(tài)吸收動力學(xué)下降曲線如圖8所示(縱坐標(biāo)表示吸光度的變化)，可以知道，反映出來的是Spiro-OMeTAD上的空穴和鈣鈦礦上的電子之間的復(fù)合(圖7中復(fù)合過程1)，經(jīng)過e指數(shù)擬合，其復(fù)合壽命大概是429 ns，該時間尺度和文獻(xiàn)報道類似9。當(dāng)加上電子傳輸層介孔TiO2之后，CH3NH3PbI3上的電子轉(zhuǎn)移到了TiO2上，所以其內(nèi)部的復(fù)合過程主要是發(fā)生在TiO2上的電子和Spiro-OMeTAD上的空穴之間(圖9a)，這個過程相比較CH3NH3PbI3和Spiro-OMeTAD之間的復(fù)合，要慢很多，復(fù)合壽命大概為11.3 μs，因?yàn)閺?fù)合路徑變長了(圖7中復(fù)合過程2)，按照文獻(xiàn)報道，介孔TiO2導(dǎo)帶上的電子和Spiro-OMeTAD上的空穴之間的復(fù)合時間尺度大概從幾十微秒到幾百微秒之間不等7,9,25,26。圖9(a－d)分別是用不同的金屬氧化物前驅(qū)液去處理納米TiO2顆粒之后，用1100 nm作為探測波長而得到的瞬態(tài)吸收復(fù)合動力學(xué)圖(圖9a是不做任何處理；圖9b是SiO2包覆；圖9c是ZrO2包覆；圖9d是Al2O3包覆)。表1列出了相應(yīng)的Voc、Jsc、FF、η和復(fù)合壽命(τh+)，從表中可以知道，經(jīng)過處理后，復(fù)合壽命得到了不同程度的延長(ZrO2和Al2O3包覆處理后復(fù)合壽命分別達(dá)到了34.9和30.6 μs)，說明TiO2上的電子和Spiro-OMeTAD上的空穴之間的復(fù)合得到了很好的抑制(主要表現(xiàn)在開路電壓(Voc)的提升)?？梢钥闯鰜?，TiO2的電子和Spiro-OMeTAD空穴的復(fù)合過程的快慢，主要影響到的是電池的Voc。

圖7　鈣鈦礦太陽電池內(nèi)部電子和空穴傳輸與復(fù)合示意圖Fig.7　Schematic illustration of photoexcited electrons and holes transfer and recombination in perovskite solar cellsCB:conduction band;VB:valence band

圖8　CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD薄膜的瞬態(tài)吸收動力學(xué)圖Fig.8　Transient absorption(TA)response of CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTADmeasured at a probe light wavelength of 1100 nm and a pump light wavelength of 500 nm.The solid line represents the monoexponential fits of experimental points.A:absorbance

圖9　TiO2/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD在1100 nm處的瞬態(tài)吸收動力學(xué)圖Fig.9　TAresponses of TiO2/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTADmeasured with a pump wavelength of 500 nm and a probe wavelength 1100 nm;(a)surface uncoated;(b)TiO2surface coated with SiO2;(c) TiO2surface coated with ZrO2;(d)TiO2surface coated withAl2O3).The solid lines represent the monoexponential fits of experimental points.

表1　不同金屬氧化物包覆后鈣鈦礦太陽電池的光電性能參數(shù)和復(fù)合壽命(τh+)Table 1　Photovoltaic parameters and recombination lifetimes(τh+)of perovskite solar cells coated with different metal oxides

正如圖7所示意的一樣，一般認(rèn)為電池的Voc和TiO2的費(fèi)米能級有很大的關(guān)系。ZrO2和Al2O3的禁帶寬度都很大，其導(dǎo)帶位置高于TiO2的導(dǎo)帶，當(dāng)在介孔TiO2外面包覆一層薄的絕緣體氧化物，CH3NH3PbI3上的電子經(jīng)隧穿效應(yīng)轉(zhuǎn)移到TiO2的導(dǎo)帶上后，由于這層氧化物的存在，電子在TiO2上積累，最終導(dǎo)致了TiO2費(fèi)米能級向其導(dǎo)帶位置靠近，所以提高了電池的Voc。并且TiO2導(dǎo)帶上的電子較難穿過絕緣氧化物薄層與Spiro-OMeTAD上的空穴而進(jìn)行復(fù)合，所以復(fù)合壽命得到了延長14,21,27,28。而用SiO2包覆處理過的樣品，過程2的復(fù)合壽命延長并不明顯，只是從11 μs變成了19 μs，對相應(yīng)結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽電池的開路電壓的影響很小，短路電流稍有提升，但主要對電池性能的影響表現(xiàn)在填充因子上，有可能是經(jīng)過SiO2包覆后，減小了介孔TiO2的表面缺陷。這種處理在量子點(diǎn)敏化太陽電池得到很好的應(yīng)用，通過計算和分析，研究者證實(shí)了這種處理方法可增加電荷收集效率，并對量子點(diǎn)敏化太陽電池的短路電流和填充因子都有較大提升29。

4　結(jié)論

通過用不同氧化物包覆處理介孔TiO2骨架層，并用納秒瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)測量，發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦太陽電池各界面之間的接觸情況直接影響著電池的效率。結(jié)果證明，TiO2上的電子和Spiro-OMeTAD空穴之間的復(fù)合對電池的開路電壓起著很重要的作用。其中，用ZrO2和A12O3包覆處理的電池開路電壓有顯著的增加；用SiO2包覆處理后，由于填充因子有較明顯的提升，所以電池效率也得到了提升。這些結(jié)果對于進(jìn)一步提高鈣鈦礦電池的性能具有一定的指導(dǎo)意義。

Reference

(1)Kojima,A.;Teshima,K.;Shirai,Y.;Miyasaka,T.J.Am.Chem. Soc.2009,131,6050.doi:10.1021/ja809598r

(2)Yang,W.S.;Noh,J.H.;Jeon,N.J.;Kim,Y.C.;Ryu,S.;Seo, J.;Seok,S.I.Science 2015,348(6240),1234.doi:10.1126/ science.aaa9272

(3)Prashant,V.K.J.Am.Chem.Soc.2014,136,3713.

doi:10.1021/ja501108n

(4)Stranks,S.D.;Eperon,G.E.;Grancini,G.;Menelaou,C.; Alcocer,M.J.P.;Leijtens,T.;Herz,L.M.;Petrozza,A.; Snaith,H.J.Science 2013,342,341.doi:10.1126/ science.1243982

(5)Xing,G.;Mathews,N.;Sun,S.S.;Lam,Y.M.;Gr?tzel,M.; Mhaisalkar,S.;Sum,T.C.Science 2013,342,344.doi: 10.1126/science.1243167

(6)Wehrenfennig,C.;Eperon,G.E.;Johnston,M.B.;Snaith,H. J.;Herz,L.M.Adv.Mater.2014,26,1584.doi:10.1002/ adma.201305172

(7)Marchioro,A.;Teuscher,J.;Friedrich,D.;Kunst,M.;van de Krol,R.;Moehl,T.;Gr?tzel,M.;Moser,J.E.Nat.Photon. 2014,8(3),250.

(8)Ponseca,C.S.;Savenije,T.J.;Abdellah,M.;Zheng,K.; Yartsev,A.;Pascher,T.;Harlang,T.;Chabera,P.;Pullerits,T.; Stepanov,A.;Wolf,J.P.;Sundstr?m,V.J.Am.Chem.Soc. 2014,136,5189.doi:10.1038photon.2013.374

(9)Shen,Q.;Ogomi,Y.;Chang,J.;Tsukamoto,S.;Kukihara,K.; Oshima,T.;Osada,N.;Yoshino,K.;Katayama,K.;Toyoda,T.; Hayase,S.Phys.Chem.Chem.Phys.2014,16(37),19984. doi:10.1039/C4CP03073G

(10)Dualeh,A.;Moehl,T.;Tétreault,N.;Teuscher,J.;Gao,P.; Nazeeruddin,M.K.;Gr?tzel,M.ACS Nano 2014,8,362.

(11)Leijtens,T.;Lauber,B.;Eperon,G.E.;Stranks,S.D.;Snaith, H.J.J.Phys.Chem.Lett.2014,5,1096.doi:10.1021/ jz500209g

(12)Marin-Beloqui,J.M.;Hernandez,J.P.;Palomares,E.Chem. Commun.2014,50,14566.doi:10.1039/C4CC06338D

(13)Kay,A.;Gr?tzel,M.Chem.Mater.2002,14,2930.doi: 10.1021/cm0115968

(14)Palomares,E.;Clifford,J.N.;Haque,S.A.;Lutz,T.;Durrant, J.R.Chem.Commun.2002,(14),1464.

(15)Ogomi,Y.;Kukihara,K.;Shen,Q.;Toyoda,T.;Yoshino,K.; Pandey,S.;Momose,H.;Hayase,S.ChemPhysChem 2014, 15,1062.doi:10.1002/cphc.201301153

(16)Baikie,T.;Fang,Y.;Kadro,J.M.;Wei,F.;Mhaisalkar,S.G.; Gr?tzel,M.;White,T.J.J.Mater.Chem.A 2013,1,5628.

(17)Jeon,N.J.;Lee,J.;Noh,J.H.;Nazeeruddin,M.K.;Gr?tzel, M.;Seok,S.I.J.Am.Chem.Soc.2013,135,19087.doi: 10.1021/ja410659k

(18)Shao,Z.P.;Pan,X.;Zhang,X.H.;Ye,J.J.;Zhu,L.Z.;Li,Y.; Ma,Y.M.;Huang,Y.;Zhu,J.;Hu,L.;Kong,F.T.;Dai,S.Y. Acta Chim.Sin.2015,73,267.[邵志鵬,潘旭,張旭輝,葉加久,朱梁正,李毅,馬艷梅,黃陽,朱俊,胡林華,孔凡太,戴松元.化學(xué)學(xué)報,2015,73,367.]doi:10.6023/ A14100721

(19)Dai,S.Y.;Li,Z.Q.;Tao,L.;Hu,L.H.Journal of Anhui Normal University(Natural Science)2015,(4),001.[戴松元,李兆乾,桃李,胡林華.安徽師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2015,(4),001.]

(20)Liang,J.;Zhang,G.;Sun.W.RSC Adv.2014,4,6746.

doi:10.1039/c3ra46188b

(21)Li,W.X.;Hu,L.H.;Dai,S.Y.Acta Phys.-Chim.Sin.2011,27 (10),2367.[李文欣,胡林華,戴松元.物理化學(xué)學(xué)報,2011, 27(10),2367.]doi:10.3866/PKU.WHXB20111011

(22)Stranks,S.D.;Burlakov,V.M.;Leijtens,T.;Ball,J.M.; Goriely,A.;Snaith,H.J.Phys.Rev.Appl.2014,2,034007.

(23)Abate,A.;Saliba,M.;Hollman,D.J.;Stranks,S.D.; Wojciechowski,K.;Avolio,R.;Grancini,G.;Petrozza,A.; Snaith,H.J.Nano Lett.2014,14(6),3247.doi: 10.1021l500627x

(24)Olson,C.;Veldman,D.;Bakker,K.;Lenzmann,F.Int.J. Photoenergy 2011,513089.

(25)MatasAdams,A.;Marin-Beloqui,J.M.;Stoica,G.;Palomares, E.J.Mater.Chem.A 2015,3,22154.doi:10.1039/ C5TA06041A

(26)Marin-Beloqui,J.M.;Hernandez,J.P.;Palomares,E.Chem. Commun.2014,50,14566.doi:10.1039/C4CC06338D

(27)Ogomi,Y.;Kukihara,K.;Qing,S.;Toyoda,T.;Yoshino,K.; Pandey,S.;Momose,H.;Hayase,S.ChemPhysChem 2014,15 (6),1062.doi:10.1002/cphc.201301153

(28)Palomares,E.;Clifford,J.N.;Haque,S.A.;Lutz,T.;Durrant, J.R.J.Am.Chem.Soc.2003,125(2),475.doi:10.1021/ ja027945w

(29)Zhao,K.;Pan,Z.;Mora-Seró,I.;Cánovas,E.;Wang,H.;Song, Y.;Gong,X.;Wang,J.;Bonn,M.;Bisquert,J.;Zhong,X.J. Am.Chem.Soc.2015,137,5602.doi:10.1021/jacs.5b01946

Influence ofInsulatingOxideCoatingson thePerformance of Perovskite Solar Cells andthe InterfaceChargeRecombination Dynamics

ZHOU Li1ZHU Jun2,*XU Ya-Feng2SHAO Zhi-Peng2ZHANG Xu-Hui2YE Jia-Jiu2
HUANG Yang2ZHANG Chang-Neng2DAI Song-Yuan2,3,*
(1School of Physics and Materials Science,Anhui University,Hefei 230601,P.R.China;2Institute of Applied Technology, Hefei Institutes of Physical Science,Chinese Academy of Science,Hefei 230031,P.R.China;3Beijing Key Laboratory of Novel Thin Film Solar Cells,North China Electric Power University,Beijing 102206,P.R.China)

Insulating oxides of SiO2,ZrO2,and Al2O3were coated using a dipping method on the surface of mesoporous TiO2nanoparticles for perovskite solar cells.The effects of the insulating oxide coatings on the performance of the perovskite solar cells and the interface charge recombination dynamics were investigated in detail.The efficiency of devices after SiO2coating improved by 13.7%due to their FF(fill factor)increasing from 67.6%to 72.3%.However,the devices with ZrO2and Al2O3coatings exhibited an increase in Vocof up to 50 mV and a decrease in Jscand FF.Transient absorption spectroscopy on a timescale from nanoseconds to milliseconds was performed to study the interface recombination lifetime between electrons and holes and the changes of the device performances are discussed.

Perovskite solar cell;Recombination lifetime;Transient absorption;Surface coating; Metal oxide

December 11,2015;Revised:February 22,2016;Published on Web:February 24,2016.

O646

10.3866/PKU.WHXB201602241

*Corresponding authors.ZHU Jun,Email:zhujzhu@gmail.com;Tel:+86-551-65592190.DAI Song-Yuan,Email:sydai@ipp.ac.cn;

Tel:+86-551-65592190.

The project was supported by the National High Technology Research and Development Program of China(863)(2015AA050602)and National Natural Science Foundation of China(21403247).

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)(2015AA050602)和國家自然科學(xué)基金(21403247)資助項(xiàng)目