扩散器

钙钛矿光伏器件中的效率回滞曲线问题

发布时间:2022/6/10 14:08:15   

钙钛矿光伏器件效率测量中的I-V曲线反映了器件的电流-电压特性以及器件的光电转换效率。在测量I-V曲线的过程中,人们发现这一曲线的形状与扫描方向相关。通常来说,反向扫描时可以获得较大的填充因子,从而读出较高的光电转换效率。正向的扫描填充因子较小,器件效率表现较低。这种现象也与扫描速度相关,扫描速度越快,正反扫间的差异越大。这个现象在平面异质结器件中较为常见,在多孔性材料构建的体异质结器件中则不明显。这一现象导致了人们对于器件效率真实性的怀疑。这一问题对于整个研究领域来说无疑是非常重要的。Kamat等人给出了一些测量效率曲线的建议,其中就包括对于扫描速率的控制和多种方法的对比。

回滞问题引起了广泛的探讨并提出了几种机制,其中包括铁电效应、界面缺陷、界面pn结势垒作用,以及离子迁移等。因此,研究者将这两种现象相互关联。目前的研究大多认为这不是铁电造成的结果。不仅如此,铁电效应是否存在本身还是一个有争议的问题。一些研究肯定了铁电效应的存在,但另一些研究则给出了否定的意见。

通过对于界面的修饰可以显著降低回滞现象,因此界面缺陷被认为是主要原因。在钙钛矿与TiO2中加入富勒烯,可以实现表面钝化,从而减小回滞。这一表面钝化的对象是表面的束缚中心。这种钝化同时产生了荧光光谱蓝移和束缚态密度下降的现象,其结果是使点和传输可以不受界面束缚态干扰,从而消除了对外电场改变的慢响应,即消除了回滞现象。随后,Sargent等人发现,将PCBM直接混入钙钛矿溶液中制备混合薄膜同样可以消除回滞现象。他们同样认为PCBM作用于晶粒表面,钝化了富碘束缚中心的作用。同时他们认为表面存在缓慢移动的离子电流,从而导致了对I-V曲线扫描的慢速响应,产生了回滞曲线。

界面的pn结势垒是指钙钛矿与电流传输材料接触时由于电荷扩散而产生能带弯曲,从而构成的势垒,阻碍了电荷传输。以TiO2为例,由于其价带能量低,与钙钛矿的导带能级相差近2eV,因此他们的界面产生了较为强烈的弯曲,这导致TiO2的导带也对应产生了向上的弯曲。尽管钙钛矿的导带与TiO2的导带能量近似(约0.2eV),但是这一边界上势能的向上弯曲构成了势垒,阻碍电荷的传输。这使得钙钛矿内部产生的光电荷无法高速地传输至TiO2,导致电荷累积以致类似于电容充电的效果。如果使用PCBM代替TiO2,其导带和价带均与钙钛矿材料差异较小,势垒的作用并不显著,电荷仍然可以高效地传输,因此回滞现象消失。

近来的研究则倾向于将回滞现象归因于离子电流的存在。实验中发现在稳定光照又瞬间停止光照后,器件电流输出的逐渐衰减可以达到数十秒的量级。这一电流的积分预示了一个极高的内部载流子浓度,远大于阳光照射下约

cm-3的浓度。根据自由载流子的符合速率,这一浓度在器件中应当无法稳定存在,因此,这一浓度应当来自于结构变化。材料中的离子迁移引发的离子电流则可用以解释这一现象,这也是关于回滞现象原因的主要看法。离子电流在实验上有了观察,在物理上也得到了确认,但这一现象在钙钛矿光伏器件中的作用还有待于进一研究。例如,这一现象和扫描速度的关系是什么。有些观察表明快扫描可以降低回滞,但也有研究表明出相反的性质。因此,在反向异质结电池中这一现象并不显著。因此,在研究器件中离子电流的作用,以及改善或利用离子电流方面,还有很多工作要做。

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