改善空穴界面层使平面钙钛矿太阳能电池的效率提高
钙钛矿太阳能电池迟滞效应的原因
钙钛矿太阳能电池迟滞效应的原因钙钛矿太阳能电池是一种新兴的高效能光电材料，具有优良的光电转换性能和较高的稳定性，因此在光电器件领域受到广泛的关注。
然而，钙钛矿太阳能电池在实际应用中存在一个重要的问题，即迟滞效应。
迟滞效应指的是钙钛矿太阳能电池在从开路电压状态（OCV）转换到短路电流状态（ISC）时的延迟过程，导致太阳能电池的效率降低。
迟滞效应的原因可以从电荷载体流动和界面反应两个方面来解释。
首先，电荷载体流动方面。
在钙钛矿太阳能电池中，光生电子和空穴的分离和传输是电池正常工作的关键。
通过光照，光子激发了钙钛矿中的电子和空穴，然后电子通过导电材料向外流动，空穴则通过电解质向导电材料传输。
然而，由于钙钛矿材料的特殊结构和能带设计，电子在材料中的运动受到一定程度的限制。
一方面，材料中存在能级密度的不均匀分布，这导致电子在空间中存在陷阱和界面。
电子在这些能级和界面上会有一定的停留时间，从而延迟了电子的流动速度，间接影响了电池的响应速度；另一方面，电子在材料中的移动速率较低，这也增加了电子流动的迟滞过程。
其次，界面反应方面。
钙钛矿太阳能电池由多个界面组成，包括光电活性层与导电材料之间的界面、导电材料与电解质之间的界面等。
这些界面之间的电子传输和离子传输受到陷阱、缺陷、界面能级等因素的影响。
钙钛矿太阳能电池界面的性态和能级分布会影响电子的传输速度和反应速率。
特别是在电池工作的过程中，界面上的能级分布可能发生变化，导致电子传输和离子传输受到不稳定因素的干扰，从而引起迟滞效应。
此外，钙钛矿太阳能电池中还存在包括电子子丢失、缺陷态的形成和扩散等因素。
这些因素进一步加剧了太阳能电池的迟滞现象。
为了减少钙钛矿太阳能电池中的迟滞效应，科研人员提出了一些解决方案。
例如，优化结构设计、改善材料特性、调控界面能级等措施，可以有效地降低迟滞效应。
此外，合理调配光生载流子的传输路径和界面材料特性，也可以改善电池的响应速度和效率。
《2024年无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池的制备及性能研究》范文
《无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池的制备及性能研究》篇一一、引言随着科技的飞速发展，能源需求持续增长，寻找清洁、可持续的能源成为了世界各国的共识。
其中，钙钛矿太阳能电池以其高效率、低成本等优势备受关注。
近年来，关于无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池的研究逐渐增多，本文旨在探讨其制备方法及性能研究。
二、无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池的制备1. 材料选择无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池的制备主要涉及钙钛矿材料、导电基底、碳电极等材料的选用。
钙钛矿材料为光电转换的关键，导电基底应具备良好的导电性和透明度。
此外，需注意所选材料的稳定性和环保性。
2. 制备流程（1）制备导电基底：选择合适的导电玻璃基底，进行清洗和预处理。
（2）制备钙钛矿层：采用溶液法或气相沉积法将钙钛矿材料制备成薄膜，并对其进行退火处理。
（3）制备碳电极：在钙钛矿层上涂覆碳电极材料，并进行热处理。
（4）完成电池组装：将电极与其他组件进行组装，形成完整的太阳能电池。
三、无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池的性能研究1. 光电性能分析通过测量电池的电流-电压曲线，分析其开路电压、短路电流、填充因子等关键参数。
同时，采用光谱响应测试、量子效率测试等方法，研究电池的光电转换效率及稳定性。
2. 结构与形貌分析利用X射线衍射、扫描电子显微镜等手段，对电池的结构和形貌进行表征。
通过分析钙钛矿层的结晶度、颗粒大小及分布等，探讨其光电性能的影响因素。
3. 稳定性测试在光照、湿度等不同环境条件下，对电池进行长时间稳定性测试。
通过对比不同条件下电池的性能变化，评估其实际应用潜力。
四、实验结果与讨论经过一系列实验，我们成功制备了无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池。
通过光电性能分析，我们发现该电池具有较高的开路电压和短路电流，填充因子也表现出色。
在结构与形貌分析中，我们发现钙钛矿层的结晶度良好，颗粒分布均匀。
在稳定性测试中，该电池在光照和湿度环境下均表现出较好的稳定性。
《2024年NiO_x空穴传输层的制备及其在钙钛矿太阳电池中的应用》范文
《NiO_x空穴传输层的制备及其在钙钛矿太阳电池中的应用》篇一一、引言随着可再生能源的日益重要，太阳能电池技术成为了研究的热点。
钙钛矿太阳电池以其高效率、低成本和可大面积制备等优点，受到了广泛关注。
在钙钛矿太阳电池中，空穴传输层是关键组成部分之一，其性能直接影响着电池的光电转换效率和稳定性。
近年来，NiO_x（氧化镍）作为一种空穴传输材料，因其优异的电学性能和稳定性而备受青睐。
本文将详细介绍NiO_x空穴传输层的制备方法及其在钙钛矿太阳电池中的应用。
二、NiO_x空穴传输层的制备1. 材料选择与准备制备NiO_x空穴传输层需要选用高纯度的氧化镍粉末。
此外，还需准备基底材料、溶剂、掺杂剂等辅助材料。
2. 制备方法NiO_x空穴传输层的制备主要采用溶胶-凝胶法。
具体步骤包括：将氧化镍粉末溶于适当的溶剂中，形成均匀的溶液；将溶液涂覆在基底上，进行热处理，使溶剂挥发并形成凝胶；最后进行退火处理，使凝胶中的NiO_x晶体化。
三、NiO_x空穴传输层的性能NiO_x空穴传输层具有较高的空穴迁移率和良好的稳定性。
其能级结构与钙钛矿层相匹配，有利于空穴的注入和传输。
此外，NiO_x还具有较高的透明度，有利于光线的透过。
四、NiO_x在钙钛矿太阳电池中的应用1. 电池结构与工作原理钙钛矿太阳电池主要由透明导电基底、钙钛矿光吸收层、NiO_x空穴传输层和电极组成。
当光线照射在电池上时，钙钛矿层吸收光子并产生光生电子-空穴对。
空穴在NiO_x空穴传输层的引导下向电极移动，而电子则通过钙钛矿层和电子传输层向电极移动。
最终，在外电路中形成电流。
2. NiO_x的应用优势NiO_x作为空穴传输层在钙钛矿太阳电池中具有以下优势：高迁移率，有利于空穴的传输；良好的稳定性，有助于提高电池的长期性能；能级结构与钙钛矿层相匹配，有利于空穴的注入；较高的透明度，有利于光线的透过。
五、结论本文详细介绍了NiO_x空穴传输层的制备方法及其在钙钛矿太阳电池中的应用。
基于两步法的钙钛矿薄膜制备以及其在低温钙钛矿电池的应用
摘要基于两步法的钙钛矿薄膜制备以及其在低温钙钛矿电池的应用近年来，受能源危机及环境问题的影响，人们一直在寻找一种能够替代传统化石能源方法。
其中太阳能电池以低成本及可再生的优势吸引了越来越多人的注意。
在过去的五年当中，钙钛矿太阳能电池（PSC）效率飙升，成为太阳能电池领域里冉冉升起的一颗新星。
虽然钙钛矿电池器件效率一直在上升，但是依然存在一些问题制约着钙钛矿太阳能电池的发展, 例如:1．在平面结构钙钛矿太阳能电池中，理想的钙钛矿层成为获得高能量转换效率的必要条件之一。
人们发现在CH3NH3PbI3中存在适量的碘化铅晶体能够钝化钙钛矿薄膜晶界，抑制电子空穴的复合，提升短路电流。
两步顺序沉积法已经广泛用于在钙钛矿太阳能电池中。
这种方法将PbI2前驱体薄膜浸渍到碘化甲胺（CH3NH3I，MAI）中制备CH3NH3PbI3活性层。
通过该方法制备的PSC的光伏性能的差异总是被归因于不同浸渍时间将会引起PbI2完全/不完全转化为CH3NH3PbI3。
2．无机金属氧化物电子传输层被广泛地用于钙钛矿太阳能电池中。
大多数无机电子传输层需要高温以形成导电性良好和无缺陷的薄膜。
而这些方法将会限制其在柔性器件中的使用以及将来商业化的应用。
因此，如何得到一种可低温柔性制备的电子传输层成为钙钛矿太阳能电池领域里一项重要的问题之一。
针对以上两个问题我们提出两种解决方案：1．为了解决第一个问题，我们采用溶剂蒸汽退火（SVA）方法制备大晶粒尺寸的PbI2晶体，以制备得到高质量的钙钛矿薄膜。
使用该方法，发现在CH3NH3I溶液中增加的PbI2浸渍时间会降低得到的PSC的能量转换效率，而钙钛矿膜中PbI2 / CH3NH3PbI3的含量并没有明显的变化。
我们通过紫外-可见光吸收，X射线衍射，傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和扫描电子显微镜的测试探究了这种变化的来源。
我们将这种光伏性能的异常减少是因为CH3NH3PbI3壳层对PbI2核的插层/脱嵌。
钙钛矿太阳能电池吸光层材料及其界面光电性质理论研究
钙钛矿太阳能电池吸光层材料及其界面光电性质理论研究钙钛矿太阳能电池是一种新型的高效光伏材料，具有广泛的应用前景。
吸光层作为太阳能电池的核心部分之一，是实现高效光电转换的关键。
本文通过理论研究，探讨了钙钛矿太阳能电池吸光层材料及其界面光电性质的相关内容。
首先，我们来了解钙钛矿材料的特点。
钙钛矿是一种结构特殊的无机半导体材料，具有较高的光吸收系数、较长的载流子寿命以及较高的光电转换效率。
这些特性使得钙钛矿成为一种理想的太阳能电池吸光层材料。
钙钛矿太阳能电池的吸光层通常由钙钛矿晶体组成。
钙钛矿晶体的吸光特性主要由其晶格结构和化学成分决定。
在钙钛矿晶体内部，光子激发导致电子从价带跃迁至导带，产生自由载流子。
这些自由载流子通过界面反射、复合和传输等过程，参与到光电转换中。
钙钛矿太阳能电池吸光层材料与电极之间的界面也对其光电性质产生重要影响。
界面的能级结构和能量势垒对电子和空穴的传输和复合过程有重要影响。
通过调控界面的能级结构和能量势垒，可以有效提高太阳能电池的光电转换效率。
钙钛矿太阳能电池吸光层材料在光伏应用中的研究主要集中在以下几个方面。
首先，研究人员通过掺杂、合金化和组分调控等手段改变钙钛矿材料的能带结构，以提高光伏效率。
其次，通过界面工程和表面修饰等手段，优化钙钛矿与电极之间的能量匹配，减少电子和空穴的复合损失。
此外，通过界面膜的引入，可以抑制电子和空穴的反向传输，提高电池的打开电压。
钙钛矿太阳能电池吸光层材料的研究还涉及到载流子的输运过程。
光伏材料中的载流子传输影响着光电转换效率。
通过合理设计材料结构和界面工程，可以改善载流子的传输性能，减少传输损失。
总之，钙钛矿太阳能电池吸光层材料及其界面光电性质的理论研究对于提高太阳能电池的光电转换效率具有重要意义。
研究人员通过对钙钛矿材料的结构、界面特性和载流子传输等方面的深入研究，可以为太阳能电池的设计和制备提供理论指导，并为进一步提高太阳能电池的光电转换效率提供技术支持。
提高太阳能电池效率的方法
提高太阳能电池效率的方法引言太阳能电池作为一种清洁、可再生的能源，已经成为减少对化石燃料的依赖和减少环境污染的重要手段。
然而，目前太阳能电池的效率仍然较低，远远不能满足实际应用的需求。
因此，提高太阳能电池的效率成为了当前研究的热点之一。
本文将探讨几种提高太阳能电池效率的方法。
优化光吸收光吸收是太阳能电池的第一步，优化光吸收能够提高光电转换效率。
以下是几种优化光吸收的方法：1. 材料选择选择光吸收材料的能带结构和光学性质与太阳光谱相匹配，能够提高太阳能电池的效率。
例如，钙钛矿太阳能电池具有宽禁带和高吸收系数，可以实现较高的光吸收效率。
2. 表面纳米结构通过制备表面纳米结构，能够增加太阳光在材料表面的反射和散射，从而增加光在材料中的传输路径，提高光吸收效率。
3. 多层结构设计多层结构，将材料分为不同的层次，每一层的能带结构和光学性质不同。
通过调控不同层次的光吸收和光电转换效率，可以实现更高的总的光电转换效率。
提高载流子传输载流子的传输是太阳能电池中的关键环节之一。
以下是几种提高载流子传输的方法：1. 导电材料选择具有较高导电性能的材料作为电极，可以减小电极电阻，提高载流子的传输效率。
2. 正负电子传输的平衡调控阳极和阴极之间正负电子的传输平衡，可以避免电子的堵塞和损失，提高载流子的传输效率。
3. 提高载流子扩散长度通过设计有利于载流子传输的结构和界面，提高载流子的扩散长度，减小载流子的传输阻力，提高太阳能电池的效率。
4. 提高载流子寿命通过选择合适的材料和改善材料的表面和界面性质，可以提高载流子的寿命，减小载流子的重新组合，提高太阳能电池的效率。
提高光电转换效率光电转换效率是衡量太阳能电池性能的重要指标。
以下是几种提高光电转换效率的方法：1. 半导体材料的优化优化半导体材料的能带结构和载流子传输特性，可以提高光电转换效率。
例如，掺杂和合金化可以调控能带结构，而改变材料的结构和掺杂浓度可以影响载流子的传输特性。
太阳能电池降本增效措施
太阳能电池降本增效措施1.引言1.1 概述太阳能电池作为一种清洁能源技术，已经成为解决能源危机和环境污染的关键之一。
然而，高成本和相对较低的光电转换效率仍然是限制太阳能电池广泛应用的主要障碍。
为了克服这些问题，研究人员不断进行创新和改进，提出了一系列降本增效的措施。
在本文中，我们将重点讨论太阳能电池降本增效的措施。
首先，我们将介绍降低材料成本的方法。
太阳能电池的主要材料包括硅、铜铟镓硒以及有机材料等。
通过优化材料的生产工艺、降低成本以及增加材料的可回收利用率，可以显著降低太阳能电池的制造成本。
同时，我们还将介绍一些新兴材料的研究进展，如钙钛矿太阳能电池和有机太阳能电池，这些材料具有更低的成本和更高的光电转换效率。
其次，我们将探讨提高光电转换效率的方法。
提高光电转换效率可以使太阳能电池在同样的太阳辐射条件下产生更多的电能。
通过优化太阳能电池的器件结构、增加光吸收层的厚度以及提高光伏材料的光吸收能力，可以显著提高太阳能电池的光电转换效率。
同时，我们还将介绍一些表面修饰和界面工程的技术，以提高太阳能电池的光电转换效率。
最后，我们将讨论增强太阳能电池的可持续性。
太阳能电池的可持续性包括其生产以及后处理过程的环境影响，以及太阳能电池在使用过程中的环境友好性。
通过开发环境友好型的制造工艺、减少对稀有材料的依赖以及提高太阳能电池的长期稳定性，可以增强太阳能电池的可持续性。
通过综合这些降本增效的措施，我们可以期待太阳能电池的成本大幅下降，光电转换效率大幅提高，从而推动太阳能电池的广泛应用。
然而，仍然需要在材料研发、工艺改进和可持续性方面进行持续投入和努力。
展望未来，我们相信太阳能电池将成为主流的清洁能源技术，并为人类创造更加可持续和环保的未来。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以如下编写：文章结构部分旨在介绍本文的组织结构和各个部分的主要内容。
本文总共包含引言、正文和结论三个主要部分。
引言部分概述了本文所要讨论的主题，即太阳能电池降本增效措施。
Sn基CH3NH3SnI3钙钛矿太阳能电池性能计算与优化
第52卷第11期2023年11月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.52㊀No.11November,2023Sn 基CH 3NH 3SnI 3钙钛矿太阳能电池性能计算与优化王传坤,陆成伟,欧阳雨洁,张胜军,郝艳玲(兴义民族师范学院物理与工程技术学院,兴义㊀562400)摘要:Sn 基钙钛矿材料因其无毒㊁较宽带隙和热稳定性成为太阳能电池研究领域的热点㊂本文利用SCAPS-1D 软件构建了结构为FTO /TiO 2/CH 3NH 3SnI 3/Spiro-OMeTAD /Ag 钙钛矿太阳能电池并对其相关性能进行了数值计算㊂研究了钙钛矿光吸收层厚度㊁空穴传输层厚度㊁空穴传输层和钙钛矿光吸收层间面缺陷,以及工作温度对器件性能的影响,然后对器件性能进行优化㊂经优化后,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为30.955%㊂通过理论分析进一步为提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提供了新的思路㊂关键词:钙钛矿太阳能电池;吸收层;界面层缺陷密度;光电转换效率;数值模拟;CH 3NH 3SnI 3中图分类号:TM914.4㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2023)11-2076-09Optimization and Numerical Simulation of Sn-Based CH 3NH 3SnI 3Perovskite Solar CellWANG Chuankun ,LU Chengwei ,OUYANG Yujie ,ZHANG Shengjun ,HAO Yanling (School of Physics and Engineering Technology,Minzu Normal University of Xingyi,Xingyi 562400,China)Abstract :With non-toxic nature,wide bandgap,and thermal stability,Sn-based perovskite materials have become a hot topic in the field of perovskite solar cell research.In this paper,the SCAPS-1D software was used to construct the FTO /TiO 2/CH 3NH 3SnI 3/Spiro-OMeTAD /Ag perovskite solar cells and the performances of the constructed cells were calculated.The effects of the thickness of absorption and hole buffer layer,the surface defects between hole buffer layer andabsorption layer,and the operating temperature on the device performance were studied,then the device performance was optimized.The photoelectric conversion efficiency of the optimized perovskite solar cell is 30.955%.The theoretical analysis suggests a new approach for enhancing the photoelectric conversion efficiency of perovskite solar cells.Key words :perovskite solar cell;absorption layer;interfacial defect density;photoelectric conversion efficiency;numerical simulation;CH 3NH 3SnI 3㊀㊀收稿日期:2023-05-11㊀㊀基金项目:兴义民族师范学院科研项目(21XYZD09,21XYZJ05,19XYJS05);黔西南州科技局科技计划(2021-2-37);贵州省教育厅拔尖人才项目(黔科教[2022]094);大学生创新创业训练课题(202210666116);兴义民族师范学院博士科研基金(23XYBS17)㊀㊀作者简介:王传坤(1985 ),男,安徽省人,博士,教授㊂E-mail:kunwang_xy@ 0㊀引㊀㊀言太阳能是取之不尽㊁用之不竭的清洁能源㊂太阳能电池利用太阳能辐射进行发电,是化石能源的理想替代者[1-3]㊂钙钛矿材料带隙易于调节㊁载流子迁移率较高,同时具有较宽的光谱吸收范围和较小的载流子复合率等特点[4-6],使得钙钛矿太阳能电池成为研究的热点㊂钙钛矿材料的化学通式可以用ABX 3表示,其中A 一般是CH 3NH 3离子,B 是Pb㊁Sn 或Ge 等离子,X 是Cl㊁Br 或I 离子等㊂2009年,Kojima 等[7]首次采用钙钛矿材料CH 3NH 3PbI 3作为光吸收层制备了钙钛矿太阳能电池,其光电转换效率为3.8%㊂随着制备工艺和新材料的不断出现,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率得到大幅提升㊂目前,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经超过了25%[8],但与无机太阳能电池相比,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率依然具有提升空间㊂㊀第11期王传坤等:Sn 基CH 3NH 3SnI 3钙钛矿太阳能电池性能计算与优化2077㊀钙钛矿太阳能电池典型的结构是p-i-n 异质结构,其结构主要包括空穴传输层㊁钙钛矿光吸收层和电子传输层㊂空穴传输层和电子传输层在钙钛矿太阳能电池中具有重要的作用㊂钙钛矿光吸收层吸收光子并产生电子-空穴对,在内建电场的作用下,空穴和电子通过相应的渠道传输到电极并形成电流㊂因此,载流子运输通道对钙钛矿太阳能电池的光电转换效率起到重要的作用㊂空穴传输层材料包括有机空穴传输层材料如Spiro-OMeTAD㊁PEDOTʒPSS 及P3HT 等[9-11],无机空穴传输层材料包括CuSCN㊁Cu 2O㊁CuO㊁CuI㊁SrCu 2O 2㊁CulnSe 2㊁NiO [12-13]等㊂Spiro-OMeTAD 是最常用的空穴传输层材料,该材料具有较小的分子量,同时具有较好的导电性㊂利用其制备的钙钛矿太阳能电池具有较高的光电转换效率[9]㊂电子传输层材料包括TiO 2㊁ZnO 和PCBM 等[14-16]㊂TiO 2是一种重要的电子传输层材料,该材料具有较高的电子迁移率㊁带隙较小㊁化学性质稳定㊁合成成本较低,以及对环境友好等特点[17]㊂同时,TiO 2的带隙比CH 3NH 3PbI 3带隙低0.3eV㊂因此,TiO 2材料更有利于电子从钙钛矿光吸收层进入电子传输层,进而提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率㊂钙钛矿材料CH 3NH 3PbI 3含有毒的Pb 离子,该材料阻碍了钙钛矿太阳能电池的商业化发展,为了克服钙钛矿太阳能电池的毒性并使得钙钛矿太阳能电池具有较好的商业利用价值,必须寻找一种合适的离子替代Pb 离子㊂锡(Sn)和Pb 元素在同一主族,具有类似的化学性质㊂因此,可以用Sn 代替钙钛矿层中的Pb㊂CH 3NH 3SnI 3材料的带隙约为1.3eV,该材料的带隙明显小于CH 3NH 3Pb 3材料的带隙(~1.6eV)[18-19]㊂因此,CH 3NH 3SnI 3材料能在可见光范围内吸收更多的光子,进而提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率㊂Patel 等[20]利用SCAPS-1D 软件计算了CH 3NH 3SnI 3作为钙钛矿光吸收层时的钙钛矿电池的性能㊂该器件的短路电流密度(J sc )为40.14mA/cm 2,开路电压(V oc )为0.93V,填充因子(FF)㊁光电转换效率(PCE)分别为75.78%㊁28.39%㊂Mottakin 等[21]利用SCAPS-1D 软件设计了FTO /PCBM /CH 3NH 3SnI 3/CuO 结构的钙钛矿太阳能电池㊂经优化,该器件的光电转换效率为25.45%㊂Imani 等[12]研究了不同无机Cu 基空穴传输层的Sn 基钙钛矿太阳能电池,结果表明CuI 作为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率最高为32.13%㊂Kanoun 等[22]利用Spiro-OMeTAD 作为空穴传输层,研究表明钙钛矿太阳能电池器件的光电转换效率为18.28%㊂Hunde 等[23]研究了TiO 2作为电子传输层㊁CH 3NH 3Pb 3作为光吸收层和Spiro-OMeTAD 作为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的性能,计算结果表明,该器件最大的光电转换效率为20.42%㊂因此,钙钛矿太阳能电池的理论计算是一种优化太阳电池的参数和提高太阳能电池效率的合理方法㊂许多研究者利用SCAPS-1D 软件研究太阳能电池的开路电压㊁短路电流密度㊁填充因子和光电转换效率㊂本文利用SCAPS-1D 软件设计了基于无铅光吸收层FTO /TiO 2/CH 3NH 3SnI 3/Spiro-OMeTAD /Ag 钙钛矿太阳能电池结构并对该器件性能进行计算㊂研究钙钛矿光吸收层厚度㊁空穴传输层厚度㊁空穴传输层和钙钛矿光吸收层间缺陷及工作温度对FF㊁J sc ㊁PCE㊁V oc 和量子效率(QE)影响㊂优化后FTO /TiO 2/CH 3NH 3SnI 3/Spiro-OMeTAD /Ag 结构的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为30.955%㊂1㊀物理模型和材料参数研究表明,SCAPS-1D 软件设计的太阳能电池结构可以含有7层不同材料层㊂该软件通过基本半导体方程如泊松方程㊁空穴和电子方程得到太阳能电池的电流-电压特性曲线,光电转化曲线㊁光谱响应曲线,以及开路电压㊁短路电流密度㊁填充因子等参数㊂通过理论计算为进一步分析太阳能电池的各项性能提供理论参考㊂三个基本半导体方程如公式(1)~(3)所示㊂-∂∂x ε(x )∂V ∂x ()=q [p (x )n (x )+N +D (x )-N -A (x )+P t (x )-N t (x )](1)式中:V 是静电势,q 是电荷量,N D 和N A 分别为供体和受体密度,P t 和N t 分别为空穴和电子浓度㊂∂p ∂t =1q ∂J p ∂x +G p -R p (2)式中:J p 是空穴电流密度,G p 是空穴产生率,R p 是空穴复合率㊂∂n ∂t =1q ∂J n ∂x+G n -R n (3)2078㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷式中:J n是电子电流密度,G n是电子产生率,R n是电子复合率㊂电子传输方程可以利用式(4)表示㊂L n,p=㊀KB T q()μnpτnp(4)式中:L n,p是载流子的扩散长度,K B是玻尔兹曼常量,μnp是载流子迁移率,τnp是载流子寿命㊂开路电压可以用式(5)表示㊂V oc=ηK B T q ln I L I0+1()[](5)式中:V oc是开路电压,η是理想因子,I L是光照产生的电流,I0是反向饱和电流㊂在研究过程中,钙钛矿太阳能电池结构设定为FTO/TiO2/CH3NH3SnI3/Spiro-OMeTAD/Ag,如图1(a)所示㊂FTO是光透射率较高导电玻璃(FʒSnO2),同时该材料也作为阳电极,TiO2和Spiro-OMeTAD分别是电子传输层和空穴传输层㊂CH3NH3SnI3是钙钛矿材料光吸收层材料㊂TiO2㊁CH3NH3SnI3和Spiro-OMeTAD材料的能级如图1(b)所示,各层材料的计算参数如表1所示㊂其中,E g为材料带隙,χ为电子亲和势,εr为相对介电常数,N c和N v分别是有效导带密度和有效价带密度,μe和μp是电子迁移率和空穴迁移率㊂除表1中给出的相关参数外,材料各层所有缺陷态均为高斯,空穴传输层和电子传输层与钙钛矿材料之间的界面缺陷选择选择中间间隙,特征能量为0.6eV㊂图1㊀钙钛矿太阳能电池结构(a)和能级示意图(b)Fig.1㊀Structure of perovskite solar cell(a)and schematic illustration of energy level(b)表1㊀模拟器件中输入的参数Table1㊀Input parameters in the simulating devicesParameter Spiro-OMeTAD[24-25]CH3NH3SnI3[10-12]TiO2[25]FTO[26]d/μm0.10.50.20.1E g/eV3 1.3 3.2 3.5χ/eV 2.2 4.1744εr 3.08.299N c/cm-32ˑ10182ˑ1018 2.2ˑ1018 2.2ˑ1018N v/cm-3 1.8ˑ10191ˑ10191ˑ1019 1.9ˑ1019μe/(cm2㊃V-1㊃s-1)1ˑ1071ˑ1071ˑ1071ˑ107μn/(cm2㊃V-1㊃s-1)2ˑ10-4 1.6220μp/(cm2㊃V-1㊃s-1)2ˑ10-4 1.6180 N D/cm-3001ˑ10181ˑ1018N A/cm-32ˑ1019 1.3ˑ101700N t/cm-31ˑ10151ˑ10141ˑ10151ˑ1015㊀第11期王传坤等:Sn 基CH 3NH 3SnI 3钙钛矿太阳能电池性能计算与优化2079㊀2㊀结果与讨论根据表1给出的各层材料的参数如空穴传输层厚度为0.1μm,CH 3NH 3SnI 3厚度为0.5μm,温度T =300K时,利用SCAPS-1D 软件计算了未优化时钙钛矿太阳能电池光伏曲线和量子效率如图2所示㊂光照AM1.5时,钙钛矿太阳能电池的光伏曲线如图2(a)所示㊂从图2(a)可以看出钙钛矿太阳能电池具有良好的光伏特性㊂钙钛矿太阳能电池的开电路电压V oc 为1.025V,短路电流密度J sc 为32.782mA /cm 2,填充因子FF 为86.430%,光电转换效率PCE 为29.040%㊂图2(b)给出的是钙钛矿太阳能电池的量子效率QE 随波长变化曲线㊂从图2(b)可以看出,当波长为300nm 时,量子效率QE 约为60%,波长在300~430nm 处,量子效率QE 随着波长的增加而增加,最大量子效率QE 接近100%;波长在430~650nm 的量子效率QE 随着波长的增加而逐渐减小,但均在80%以上;当波长为650~960nm 时,钙钛矿太阳能电池的量子效率QE 随着波长的增加而降低㊂因此,钙钛矿太阳能电池在可见光区域具有较强的吸收率㊂图2㊀未优化的钙钛矿太阳能电池光伏曲线(a)和量子效率(b)Fig.2㊀I -V curve (a)and quantum efficiency (b)of unoptimized perovskite solar cells 研究表明,钙钛矿光吸收层厚度对钙钛矿太阳能电池的性能具有较大的影响㊂较厚钙钛矿光吸收层能够吸收更多的光子进而转化成电子和空穴㊂但随着钙钛矿光吸收层厚度的增加,电子和空穴传输路径也进一步地增加,从而会引起钙钛矿太阳能电池电子和空穴复合率的增加[14,27]㊂因此,优化钙钛矿光吸收层厚度对提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率具有重要的影响㊂本文进一步研究了在0.1~1.5μm 时,钙钛矿光吸收层材料CH 3NH 3SnI 3厚度对钙钛矿太阳能电池的性能的影响,如图3所示㊂从图3可以看出,钙钛矿光吸收层厚度对钙钛矿太阳能电池的开路电压影响较小,但对短路电流影响较大㊂开路电压㊁短路电流密度㊁填充因子和光转换效率随钙钛矿光吸收层厚度的变化关系如图4所示㊂从图4(a)可以看出,随着钙钛矿光吸图3㊀钙钛矿太阳能电池光伏曲线随光吸收层材料厚度变化曲线Fig.3㊀I -V curves of perovskite solar cells with absorber thickness 收层厚度的增加,开路电压逐渐减小㊂从公式(5)可以看出,开路电压的减小可能与饱和电流的增加(增加了电子-空穴对的复合)及光产生电流和暗饱和电流有关㊂随着钙钛矿光吸收层CH 3NH 3SnI 3厚度的增加,钙钛矿光吸收层能够吸收更多的光子,引起短路电流的增加,但是随着钙钛矿光吸收层厚度的增加,电子和空穴的扩散长度也随之增加,从而会在钙钛矿太阳能电池内部引起较大的复合率,进而导致短路电流减小㊂从图4(b)~(d)可以看出,当钙钛矿光吸收层为0.1~0.8μm 时,短路电流密度㊁填充因子和光电转换效率随着钙钛矿光吸收层厚度的增加而增加㊂当钙钛矿光吸收层为0.8~1.5μm 时,短路电流密度㊁填充因子和光电转换效率几乎趋近于饱和㊂2080㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷图4㊀钙钛矿太阳能电池性能参数随光吸收层厚度变化曲线Fig.4㊀Variation curves of the perovskite solar cells performance parameters with absorber thickness 空穴传输层位于钙钛矿光吸收层和金属电极之间,能有效减小电子和空穴的复合率,在钙钛矿太阳能电池中起到重要作用㊂同时,空穴传输层有利于收集钙钛矿材料中的空穴并将其转移到金属电极上[12]㊂计算过程中采用Spiro-OMeTAD 作为空穴传输层材料,该材料的相关参数如表1所示㊂钙钛矿太阳能电池性能随空穴传输层厚度的变化关系如图5所示㊂从图5(a)可以看出,当Spiro-OMeTAD 厚度小于0.1μm 时,随着空穴传输层材料Spiro-OMeTAD 厚度的增加,钙钛矿太阳能电池的开路电压具有减小的趋势,当Spiro-OMeTAD 厚度为1~1.5μm 时,开路电压先增加,然后趋于平稳,最后呈现减小的趋势㊂短路电流密度㊁填充因子和光电转换效率随着空穴传输层Spiro-OMeTAD 厚度的增加而线性减小㊂这是由于空穴传输层厚度增加时,电子和空穴的移动距离会增加,进一步增加了电子和空穴对的复合率㊂若空穴传输层厚度太薄,也会引起空穴和电子的复合率增加㊂因此,通过理论计算可知,该器件空穴传输层最佳厚度为0.1μm㊂光吸收层和空穴传输层界面间缺陷对钙钛矿太阳能电池的性能具有重要影响㊂因此,选择光吸收层和空穴传输层界面间缺陷变化范围为1ˑ106~1ˑ1013cm -2,研究了光吸收层和空穴传输层界面间缺陷对器件性能的影响㊂开路电压㊁电流密度㊁填充因子和转换效率随光吸收层和空穴传输层界面间缺陷的变化关系如图6所示㊂从图6可以看出,当光吸收层和空穴传输层界面间缺陷变化范围为1ˑ106~1ˑ1010cm -2时,开路电压㊁电流密度㊁填充因子和光电转换效率几乎不变㊂当光吸收层和空穴传输层界面间缺陷大于1ˑ1010cm -2时,开路电压㊁电流密度㊁填充因子及转换效率随界面缺陷的增加而降低,且降低趋势逐渐增大㊂根据公式τnp =1σnp νth N t 和l =㊀Dτ,其中σnp 是捕获电子空穴能力,νth 是电子-空穴热速度,D 是扩散系数,l 是扩散长度㊂从以上公式可以看出,随着界面缺陷的增加,电子和空穴复合率进一步增加,载流子扩散长度减小,从而减少了载流子的数量并增大反向饱和电流[28-29]㊂因此,钙钛矿太阳能电池的光电性能受光吸收层和空穴传输层界面间缺陷的影响㊂㊀第11期王传坤等:Sn基CH3NH3SnI3钙钛矿太阳能电池性能计算与优化2081㊀图5㊀钙钛矿太阳能电池性能参数随空穴传输层厚度变化曲线Fig.5㊀Variation curves of the perovskite solar cells performance parameters with hole transport thickness图6㊀钙钛矿太阳能电池性能参数随界面缺陷的变化Fig.6㊀Variation curves of the perovskite solar cells performance parameters with interface defect density2082㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷㊀㊀进一步探究了工作温度对钙钛矿太阳能电池的开路电压㊁电流密度㊁填充因子和转换效率的影响,如图7所示㊂在实际应用中钙钛矿太阳能电池的工作温度一般在300K左右㊂一般情况下,工作温度过高或过低都会影响太阳能电池的性能,温度过高会导致材料界面的缺陷产生更大的应力,以及引起钙钛矿材料发生畸变,从而造成钙钛矿太阳能的光电转换效率降低㊂研究发现,随着界面缺陷的增加也会导致材料中空穴和电子的复合率的增加,但电子和空穴的扩散长度减小,进而导致光电转换效率和开路电压随着温度的增加而降低[12]㊂通过计算发现,当温度T=280K时,该器件的填充因子最大㊂但短路电流密度随着温度的增加略微增加㊂由于材料的带隙㊁载流子迁移率等受到温度的影响,随着温度的增加,在材料的界面层之间可能会产生更多的载流子进而减少载流子的复合,从而增加了短路电流密度㊂通过计算发现该器件在温度T=260K 时获得最大的光电转换效率㊂图7㊀钙钛矿太阳能电池性能参数随温度变化曲线Fig.7㊀Variation curves of the perovskite solar cells performance parameters with temperature图8㊀优化的钙钛矿太阳电池光伏曲线(a)和量子效率(b)Fig.8㊀I-V curve(a)and quantum efficiency(b)of optimized perovskite solar cells㊀第11期王传坤等:Sn基CH3NH3SnI3钙钛矿太阳能电池性能计算与优化2083㊀由以上讨论可知,当钙钛矿光吸收层厚度为0.8μm,空穴传输层厚度为0.1μm,空穴传输层和钙钛矿光学吸收层之间的面缺陷为1ˑ1010cm-2,温度为260K,其他计算参数不变时,钙钛矿太阳能电池获得最佳的性能㊂经优化的钙钛矿太阳能电池的光伏曲线如图8(a)所示㊂优化后钙钛矿太阳能电池的开路电压略有提高,短路电流密度提高了约为3.2%,但填充因子和未优化器件相比则变小㊂开路电压和短路电流密度的增加,导致器件的光电转换效率增加㊂然而,与未优化器件的量子效率相比,优化后器件的量子效率在可见光范围内明显提高,从而导致器件能够吸收更多的光子并转变成电子,进一步提高了钙钛矿太阳能电池的性能㊂3㊀结㊀㊀论利用SCAPS-1D软件构建了TCO/TiO2/CH3NH3SnI3/Spiro-OMeTAD/Ag钙钛矿太阳能电池并研究其光电性能㊂分析了钙钛矿光吸收层厚度㊁空穴传输层厚度㊁空穴传输层和钙钛矿光学吸收层之间的面缺陷以及温度对器件性能的影响,最后对器件进行优化㊂研究表明,当钙钛矿光吸收层厚度为0.8μm㊁空穴传输层厚度为0.1μm㊁空穴传输层和钙钛矿光学吸收层之间的面缺陷为1ˑ1010cm-2㊁温度T=260K时,钙钛矿太阳能电池的性能最佳,其开路电压㊁短路电流密度㊁填充因子和光电转换效率为1.063V㊁33.900mA/cm2㊁85.893%和30.955%㊂通过本文的研究进一步为实验提供了理论参考㊂参考文献[1]㊀RONG Y G,HU Y,MEI A Y,et al.Challenges for commercializing perovskite solar cells[J].Science,2018,361(6408):eaat8235.[2]㊀JUNG H S,PARK N G.Perovskite solar cells:from materials to devices[J].Small,2015,11(1):10-25.[3]㊀WU T H,QIN Z Z,WANG Y B,et al.The main progress of perovskite solar cells in2020-2021[J].Nano-Micro Letters,2021,13(1):152.[4]㊀ALLA M,MANJUNATH V,CHAWKI N,et al.Optimized CH3NH3PbI3X Cl X based perovskite solar cell with theoretical efficiency exceeding30%[J].Optical Materials,2022,124:112044.[5]㊀JAISWAL R,RANJAN R,SRIVASTAVA N,et al.Numerical study of eco-friendly Sn-based perovskite solar cell with25.48%efficiency usingSCAPS-1D[J].Journal of Materials Science:Materials in Electronics,2023,34(8):753.[6]㊀LUO W,XU J X,LIU S Y.Optimization of all-inorganic CsPbI3-based inverted perovskite solar cells by numerical simulation[J].Journal ofElectronic Materials,2023,52(3):2216-2226.[7]㊀KOJIMA A,TESHIMA K,SHIRAI Y,et anometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells[J].Journal of theAmerican Chemical Society,2009,131(17):6050-6051.[8]㊀GREEN M A,DUNLOP E D,HOHL-EBINGER J,et al.Solar cell efficiency tables(Version58)[J].Progress in Photovoltaics:Research andApplications,2021,29(7):657-667.[9]㊀NAKKA L,CHENG Y H,ABERLE A G,et al.Analytical review of spiro-OMeTAD hole transport materials:paths toward stable and efficientperovskite solar cells[J].Advanced Energy and Sustainability Research,2022,3(8):2200045.[10]㊀MEHRABIAN M,AFSHAR E N,AKHAVAN O.TiO2and C60transport nanolayers in optimized Pb-free CH3NH3SnI3-based perovskite solarcells[J].Materials Science and Engineering:B,2023,287:116146.[11]㊀ZHOU P,BU T L,SHI S W,et al.Efficient and stable mixed perovskite solar cells using P3HT as a hole transporting layer[J].Journal ofMaterials Chemistry C,2018,6(21):5733-5737.[12]㊀IMANI S,SEYED-TALEBI S M,BEHESHTIAN J,et al.Simulation and characterization of CH3NH3SnI3-based perovskite solar cells withdifferent Cu-based hole transporting layers[J].Applied Physics A,2023,129(2):1-13.[13]㊀ISLAM M B,YANAGIDA M,SHIRAI Y,et al.NiO x hole transport layer for perovskite solar cells with improved stability and reproducibility[J].ACS Omega,2017,2(5):2291-2299.[14]㊀ALLA M,BIMLI S,MANJUNATH V,et al.Towards lead-free all-inorganic perovskite solar cell with theoretical efficiency approaching23%[J].Materials Technology,2022,37(14):2963-2969.[15]㊀BOUAZIZI S,TLILI W,BOUICH A,et al.Design and efficiency enhancement of FTO/PC60BM/CsSn0.5Ge0.5I3/Spiro-OMeTAD/Au perovskitesolar cell utilizing SCAPS-1D Simulator[J].Materials Research Express,2022,9(9):096402.[16]㊀ZHANG P,WU J A,ZHANG T,et al.Perovskite solar cells with ZnO electron-transporting materials[J].Advanced Materials,2018,30(3):1703737.[17]㊀LU H,TIAN W,GU B K,et al.TiO2electron transport bilayer for highly efficient planar perovskite solar cell[J].Small,2017,13(38):1701535.[18]㊀SINGH A K,SRIVASTAVA S,MAHAPATRA A,et al.Performance optimization of lead free-MASnI3based solar cell with27%efficiency by2084㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷numerical simulation[J].Optical Materials,2021,117:111193.[19]㊀HAO F,STOUMPOS C C,CAO D H,et al.Lead-free solid-state organic-inorganic halide perovskite solar cells[J].Nature Photonics,2014,8(6):489-494.[20]㊀PATEL P K.Device simulation of highly efficient eco-friendly CH3NH3SnI3perovskite solar cell[J].Scientific Reports,2021,11:3082.[21]㊀MOTTAKIN M,SOBAYEL K,SARKAR D,et al.Design and modelling of eco-friendly CH3NH3SnI-3based perovskite solar cells with suitabletransport layers[J].Energies,2021,14(21):7200.[22]㊀KANOUN A A,KANOUN M B,MERAD A E,et al.Toward development of high-performance perovskite solar cells based on CH3NH3GeI3using computational approach[J].Solar Energy,2019,182:237-244.[23]㊀HUNDE B R,WOLDEYOHANNES A D.Performance analysis and optimization of perovskite solar cell using SCAPS-1D and genetic algorithm[J].Materials Today Communications,2023,34:105420.[24]㊀BHATTARAI S,DAS T D.Optimization of carrier transport materials for the performance enhancement of the MAGeI3based perovskite solar cell[J].Solar Energy,2021,217:200-207.[25]㊀KUMAR M,RAJ A,KUMAR A,et putational analysis of bandgap tuning,admittance and impedance spectroscopy measurements inlead-free MASnI3perovskite solar cell device[J].International Journal of Energy Research,2022,46(8):11456-11469.[26]㊀SLAMI A,BOUCHAOUR M,MERAD L.Numerical study of based perovskite solar cells by SCAPS-1D[J].International Journal of Energy andEnvironment,2019,3:17-21.[27]㊀ALIAGHAYEE M.Optimization of the perovskite solar cell design with layer thickness engineering for improving the photovoltaic response usingSCAPS-1D[J].Journal of Electronic Materials,2023,52(4):2475-2491.[28]㊀MOHANTY I,MANGAL S,SINGH U P.Defect optimization of CZTS/MASnI3heterojunction solar cell yielding30.8%efficiency[J].Journalof Electronic Materials,2023,52(4):2587-2595.[29]㊀MUSHTAQ S,TAHIR S,ASHFAQ A,et al.Performance optimization of lead-free MASnBr3based perovskite solar cells by SCAPS-1D devicesimulation[J].Solar Energy,2023,249:401-413.。
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改善平面钙钛矿太阳能电池的空穴界面层使效率得到提高摘要：平面结构被证明是有效率的，且便于制造的溶液处理的钙钛矿太阳能电池(PSCs)。
有机金属卤化物薄膜的界面控制和晶体薄膜生长，已经被视为获得高性能的PSCs的最主要的因素。
在这里，我们介绍了一种溶液处理的PEDOT:PSS-GeO2复合膜，它通过将GeO2的水溶液复合到PEDOT:PSS的水分散体中作为平面PSCs的空穴传输层。
PEDOT:PSS-GeO2复合膜界面，除了高导电性、环境稳定性等优点外，所形成的岛状GeO2粒子成为退火时钙钛矿薄膜的晶核生长位点。
通过种子调解GeO2粒子，获得大规模区域和薄膜均匀的优良CH3NH3PbI3-x Cl x结晶薄膜。
PSC器件是以PEDOT:PSS-GeO2复合膜作为空穴传输层（HYL），得到了最佳性能器件的PCE为15.15%，填充因子(FF)为74%。
与原始的PEDOT:PSS型器件相比，PCE从9.87%增加到13.54%（120个器件的平均值），显著地提高了约37%。
关键词：钙钛矿太阳能；空穴界面层；溶液处理的GeO2纳米粒子1.引言最近，因为钙钛矿材料拥有卓越的光电特性，钙钛矿太阳能电池(PSCs)的研究取得了显著的进步[1-4]，特别是它在可见光区的强吸收[5,6]和长的载流子扩散长度[7-10]被广为关注。
在过去的五年里，光电转换效率(PCE)从不足4%提高到约20.1%（已经被证明）[11-19]。
最初，Kojima等人采用烷基铵金属三卤化物作为吸收剂，制作的液体电解质敏化太阳能电池的PCE只有3.8%[11]。
随后，基于TiO2和Al2O3支架的固态结构被提出并被成功应用，使PCE超过了10%[20,21]。
后来，小分子的Spiro-OMeTAD被用作空穴传输层，很快地将PCE提高到超过15%[22-27]。
最近，基于平面结构的钙钛矿太阳能电池通过携带可控制的界面工程，已经被证明效率超过了10%[28-34]。
可以发现，平面结构也能促进制造简易的低温和溶液处理的PSCs。
这意味着，平面结构PSCs能被用于降低先前是PSC结构的TiO2和Al2O3介孔支架的复杂过程[20,23]。
至今，最多的研究聚焦于钙钛矿薄膜处理和相关的材料设计。
事实上，在典型的平面PSCs中，钙钛矿光吸收层夹在空穴和电子传输层之间[33]。
因此，为了获得和PCE的电池，操控整个钙钛矿太阳能电池的载体行为是至关重要的。
所以，在平面PSCs中，界面控制对器件优化扮演了一个非常重要的角色。
由于聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）—聚（苯乙烯磺酸盐）(PEDOT：PSS)具有良好的导电性和溶液加工性，它通常在常规有机太阳能电池中，用于氧化铟锡（ITO）修饰的空穴传输层（HTL）。
然而，器件的性能被PEDOT:PSS分散液酸性（pH约为2）严重地限制[35-37]。
据报道，金属氧化物在有机电子产品中已经成为了PEDOT:PSS的潜在替代品，可以达到提高器件稳定性的目标[38,39]。
GeO2是一种良好光电特性的优良的半导体材料。
然而，由于热蒸发GeO2的真空薄膜加工性能较差，它在有机发光二极管[40]和[41]有机太阳能电池的实验应用中，已经被证明不能取得令人满意的效果。
反而，我们介绍了一种溶液法处理的GeO2界面薄膜，它利用自身的微水溶性，在有机太阳能电池中展现了优异的器件特性和稳定性[42]。
PEDOT:PSS具有高透明度、高功函数和高电导率等优点。
GeO2的水溶液呈碱性的pH值，因为它会发生微弱的水解反应：GeO2+2H2O=Ge(OH)4。
因此，最好（效率和稳定）的钙钛矿太阳能电池空穴界面薄膜将PEDOT:PSS和GeO2的水溶液混合。
在这项工作中，我们介绍了一种溶液法处理的中性PEDOT:PSS-GeO2复合膜，通过将GeO2的水溶液加到PEDOT:PSS的水分散系中作为平面钙钛矿太阳能的空穴传输层。
PEDOT:PSS-GeO2复合膜包含了PEDOT:PSS的高导电性和GeO2周围环境稳定的优点。
此外，根据界面接触观点，掺杂的复合薄膜可以制造从活性层到电极的载体运输通路。
在此，水溶液处理后的PEDOT:PSS-GeO2复合膜，被用作CH3NH3PbI3-x Cl x:苯基C61-丁酸甲酯(PCBM)为基础的平板钙钛矿太阳能电池的阳极界面活性层。
结果显示，PSC器件以PEDOT:PSS-GeO2复合膜作为HTL，获得了最佳性能，PCE为15.15%填充因子(FF)为74%。
与原始的PEDOT:PSS型器件相比，PCE从9.87%增加到13.54%（平均超过了120种器件），显著地提高了约37%。
另外，用PEDOT:PSS-GeO2作为HTL的电池，与其他相关器件相比，稳定性得到显著提高。
2.实验部分2.1.材料和准备。
GeO2粉末从上海化学工业公司购买。
Clevios PVP AL4083 PEDOT:PSS从Heraeus公司购买（德国）。
PbCl2（99.999%），N,N-二甲基甲酰胺(DMF)（无水，无胺，99.9%）从Alfa-Aesar公司购买。
PC61BM由Nichem Fine Technology Co.,Ltd.公司（台湾）购买。
首先，将GeO2粉末直接溶解在去离子水中制备GeO2的水溶液，在室温的空气中搅拌10h以上，得到0.3%wt的最佳浓度。
然后将制备的GeO2水溶液以不同的体积比融入PEDOT:PSS溶液中。
将氢碘酸（溶于水中的含量为57%wt）和甲胺（溶于甲醇中的含量为40%）的混合溶液在冰盆中搅拌2h，再在70℃下蒸发1h。
得到的产物用乙醚洗涤1h并过滤。
为了提高纯度，我们把产物融入甲醇（约100mL）中，甲醇溶液包含加入乙醚约1000mL）的CH3NH3I。
然后，CH3NH3I与PbCl2以3:1的摩尔比融入DMF中。
混合物在60℃的手套箱中搅拌一夜。
2.2器件和特性。
太阳能器件在薄层电阻约为15Ω/sq的ITO覆盖的玻璃基片上制作的，ITO基片先在中性洗涤剂中清洗，接着在含有乙醇的盆里超声处理，然后在紫外臭氧清洗仪中处理15min。
通过在ITO基片上在4500rmp/40s下旋涂前驱液，然后在120℃下退火10min制得PEDOT:PSS-GeO2复合膜。
通过旋涂30%wt 的CH3NH3PbI3−x Cl x得到钙钛矿层，CH3NH3PbI3−x Cl x是通过CH3NH3I（在先前的工作中合成）与PbCl2以3:1的摩尔比溶解在二甲基甲酰胺(DMF)溶液中获得的。
在充N2的手套箱中，溶液以4000rpm的速率在空穴传输层上旋涂40s。
按照在其他地方常见的梯度升温的方法[43]，对湿的钙钛矿薄膜进行退火。
样品在室温下干燥约20分钟后，在加热板上以10℃/10min的缓变率从50-10℃缓慢加热。
然后，在充N2的手套箱中，溶于氯苯溶液的20mg/mL的PCBM在2000rpm下在钙钛矿层上旋涂40s。
最后，将样品转移到真空腔中蒸镀银电极。
Ag（100nm）在2×10-6托的真空下通过荫罩热沉积在PCBM层上，规定器件面积为7.25mm2。
使用Veeco公司的Multimode V仪器得到的AFM图像测得PEDOT:PSS-GeO2薄膜的表面形貌。
用未过滤的高能点火（21.2eV）气体放电灯和半球分析仪测得的UPS估算出功函数。
PEDOT:PSS-GeO2和CH3NH3PbI3−x Cl x薄膜的透明度和吸收光谱用UV/vis分光光度计(PerkinElmer Lambda750)测量。
PEDOT:PSS-GeO2和CH3NH3PbI3−x Cl x薄膜的表面形貌特征通过场发射扫描电子显微镜(FESEM，Quanta200FEG，FEI Co.)测量。
1太阳照明环境条件下的PSCs的电流密度—电压特性，是通过一个可编程的Keithley2400source mete（新港，AAA级太阳模拟器，94023A-U）以100mW/cm2光强度、AM1.5G太阳能辐射下测得的。
未封装的OSCs器件的稳定性在不同的条件下被评估。
3.结果和讨论3.1PEDOT:PSS-GeO 2复合薄膜片。
图1展示了包括PEDOT:PSS-GeO 2复合膜制备在内的钙钛矿太阳能电池的制备过程流程图。
按照温和的步骤，将GeO 2粉末直接溶解在去离子水中制备GeO 2的水溶液，在室温的空气中搅拌10h 以上，得到0.3%wt 的最佳浓度（图S1和表S1为辅助信息）。
将制备的GeO 2水溶液以不同的体积比融入商用的PEDOT:PSS 水溶液（Clevios PVP AL 4083）中。
通过在ITO 基片上在4500rmp/40s 下旋涂前驱液，然后在120℃下退火10min 制得PEDOT:PSS-GeO 2复合膜。
图1：钙钛矿太阳能电池制造流程图图2：(a)原始的PEDOT:PSS 薄膜，(b)PEDOT:PSS-GeO 2复合膜（4:1的体积比）的原子力显微镜(AFM ）的表面形貌(5×5μm)。
(c)它们相应的UPS 谱。
插图是二次截止区域的放大部分。
图2a和b分别展示了原始的PEDOT:PSS薄膜和PEDOT:PSS-GeO2复合膜（4:1的体积比）的原子力显微镜(AFM）的表面形貌(5×5μm)。
原始的PEDOT:PSS 薄膜的表面粗糙度（用均方根表示，RMS）是1.7nm，而PEDOT:PSS-GeO2（4:1）复合膜的是3.6nm。
PEDOT:PSS-GeO2表面的岛状结构导致了RMS的增加。
当GeO2的混合比例增加时，PEDOT:PSS-GeO2复合膜的粗糙度明显地增加，而小岛的直径明显减小（图S2为辅助信息）。
图2c展示了ITO基片上原始PEDOT:PSS薄膜和PEDOT:PSS-GeO2（4:1的体积比）复合膜的紫外线光电子能谱(UPS)的测量结果，插图表示的是光电发射截止区域的放大部分。
PEDOT:PSS-GeO2（4:1的体积比）复合膜的功函数取决于5.2eV，这比原始PEDOT:PSS（5.1eV）的功函数略高。
阳极界面一侧功函数的增加，会导致ITO和钙钛矿活性层之间更好的能源调整。
3.2钙钛矿光电性能。
混合卤化物钙钛矿CH3NH3PbI3−x Cl x被用作一个模型体系，以探究有机—无机（PEDOT:PSS-GeO2）混合掺杂的高效率和稳定性的钙钛矿太阳能电池。
器件具有ITO/PEDOT:PSS（含或不含GeO2）/CH3NH3PbI3−x Cl x/PCBM/Ag（100nm）的结构。
在充N2的手套箱中，将溶于二甲基甲酰胺(DMF)的CH3NH3PbI3−x Cl x溶液旋涂在PEDOT:PSS-GeO2复合膜上。