1、高效率的鈣鈦礦太陽能電池的界面工程促進鈣鈦礦的理論能量轉(zhuǎn)換效率依賴太陽能電池技術(shù)，而且需要微妙的動力學(xué)在整個動態(tài)控制設(shè)備。通過控制層鈣鈦礦的形成和仔細的選擇其他的材料,我們抑制載波的復(fù)合吸收劑,促進載體注入到載波傳輸層,保持著良好的載波提取的電極。當(dāng)通過反向偏壓掃描,測量電池PCE通常平均提高了16.6%,效率最高的19.3%是在一個沒有抗反射涂層的平面幾何上。制造鈣鈦礦太陽能電池是在空氣和低溫下從解決方案進行的,這應(yīng)該簡化制造大面積鈣鈦礦設(shè)備的性價比。 有機和無機雜化材料，特別是鈣鈦礦族，都表現(xiàn)出場效應(yīng)大有希望轉(zhuǎn)錄電阻取值，發(fā)光二極管，傳感器，和光電檢測器使用超過十年。最近，鉛鹵化物鈣鈦礦

2、(CH3NH3PbX3,X=Cl,Br,I）鉛鹵化物鈣鈦礦為主的薄膜光伏器件功率轉(zhuǎn)換效率PCE在短短4 年（2-6）從3.8飆升到17以上。在一個典型的鈣鈦礦型太陽能電池中，一個幾百納米厚的吸收層，具有或不具有介孔的支架，被夾在電子和空穴傳輸層 (ETLs and HTLs, respectively)之間。當(dāng)入射的光子吸收，載流子在其通過傳輸路徑，包括在ETL或HTL時，在電極上，并在兩者之間的每個接口行進吸收器創(chuàng)建的。為了增加全氯乙烯，必須精確地操縱載體沿從整個通路吸收到兩個電極。 迄今為止，迅速取得了進展在每個隔離層，主要側(cè)重于鈣鈦礦薄膜加工及相關(guān)材料的設(shè)計。其結(jié)果，各種處理方法已被報道

3、，聚焦在吸收特性和由此產(chǎn)生的器件的性能（7-15）。這些包括單步和連續(xù)溶液沉積（7-10），真空淀積（11），以及蒸汽輔助的溶液處理（12），它清楚地顯示的結(jié)構(gòu)中，組合物之間有很強的關(guān)系，和鈣鈦礦型吸收劑的相應(yīng)屬性。 根據(jù)其混合性質(zhì)的深入了解，一個微妙的控制權(quán)，在鈣鈦礦薄膜的載流子是正常現(xiàn)象。盡管我們的比較初期的這個類吸收材料的理解，許多成功已通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和引入新的材料作為載流子傳輸層（16-30），特別是ETL的材料，如二氧化鈦，氧化鋅，二氧化鈦和石墨烯的復(fù)合材料來實現(xiàn)（20-26）。雖然這些材料的改進的電子特性可以提供設(shè)備的性能優(yōu)勢，吸收器，傳輸層和電極之間的界面障礙往往被視為與產(chǎn)生和

4、保存載體種群的吸收劑本身相比次要關(guān)注。在追求高四氯乙烯，細胞就會不可避免地需要一個優(yōu)化的載流子傳輸途徑，充分利用所有的設(shè)備層和其相應(yīng)的接口。 我們已經(jīng)通過在鈣鈦礦薄膜，在ETL和其有關(guān)的接口的勘探操縱跨越溶液處理的平面異質(zhì)結(jié)的鈣鈦礦太陽能電池的高效載體通路載體的行為。我們證明通過控制濕度條件下增強的重建過程中鈣鈦礦薄膜的沉積。這個過程導(dǎo)致了鈣鈦礦具有大幅減少載流子復(fù)合膜。我們還通過摻雜的TiO 2的ETL上，以提高其載流子濃度和改性ITO電極，以降低其功函數(shù)改進的該裝置中的電子傳輸通道。這些變化所產(chǎn)生的19.3一PCE見（31）測量細節(jié)。這些發(fā)現(xiàn)可進一步用于在鈣鈦礦系的設(shè)備在各種應(yīng)用中，例如發(fā)

5、光二極管，場效應(yīng)晶體管，非線性光學(xué)元件，光導(dǎo)裝置，化學(xué)森感器，和輻射探測器。圖1圖1為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的太陽能電池的能量水平對齊。（A）SEM橫截面的裝置的圖像。從底部的層是：（i）ITO / PEIE，（）Y型的TiO 2，（）的鈣鈦礦，（螺OMeTAD，以及（v）的能級的Au，（B）圖（相對于所述在該裝置中的各功能層的真空度），（C）的X射線衍射圖案對應(yīng)于鈣鈦礦薄膜演化與退火時間（第一階段：20分鐘，第二階段：60分鐘，第三階段：85分鐘）。（D和E）鈣鈦礦膜中的第二階段（D）和第三階段（E） - 頂視圖的SEM圖像。我們制造的鈣鈦礦型太陽能電池具有一類似于常用副架構(gòu)平面構(gòu)型，但需要一些修改。整

6、個器件的制造是在低溫（<150）過程中進行。其結(jié)構(gòu)在掃描電子顯微鏡（SEM）圖像示于圖1A。與此相反的大多數(shù)鈣鈦礦太陽能電池，是基于FTO電極的ITO被用作電極，將其進一步經(jīng)過修飾后用聚亞乙基亞胺乙氧基化（PEIE）（32），含簡單的脂族胺基，以減少聚合物ITO的功函數(shù)。釔摻雜的TiO 2（Y型的TiO 2）作為ETL上，以提高電子的提取和輸送。對于孔的提取，鈷和鋰共摻雜螺OMeTAD2,2'，7,7'-四（N，N-二-4-甲氧基苯基氨基）-9,9'-螺二芴（8）和金被用作在HTL和電極。相關(guān)的功能層的能量水平，如通過紫外（UV）光電子能譜（UPS）和UV-可見光

7、吸收光譜測量確定的，示于圖。 1B。與PEIE修飾的ITO的功函數(shù)，從原來的4.6電子伏特（圖S1），（31），這有利于在ETL和ITO層之間有效的電子傳輸減少到4.0電子伏特。在Y的TiO 2層表現(xiàn)為4.0eV的導(dǎo)帶最小值（CBM）（圖S2）,（31）。這個價帶最大值（VBM）和煤層氣為CH 3 NH3的PbI3-X氯x等于reportedas5.3和3.75電子伏特，分別為（18），和螺 - OMeTAD的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）中的位于5.22電子伏特（16）在Y的TiO 2的CBM和螺OMeTAD與鈣鈦礦的煤層氣及VBM的HOMO之間停留有利對準(zhǔn)允許相片的高效提取生載流子不會誘導(dǎo)過

8、度的界面復(fù)合或抑制準(zhǔn)吸收材料中費米能級分裂。鈣鈦礦型的特點，可以薄膜的生長通過小心控制國稅發(fā)的有機和無機物質(zhì)之間嵌入反應(yīng)過程中被優(yōu)化。我們研究了鈣鈦礦薄膜生長在受控濕度條件下（30噸5相對濕度），并提出了一種增強的重建的機制來解釋濕度對元件特性的觀察到的效果。（1：1摩爾比3）在N，N'-二甲基甲酰胺（DMF）溶液涂布的TiO 2涂層，ITO基材制造的吸收體層（溶液沉積是由直接沉積CH 3 NH3 I和PBCL2的混合物進行31）。在所控制的濕度退火，膜通過三個不同的階段轉(zhuǎn)變，這一點通過X-射線衍射（XRD）圖1C）和掃描電鏡（圖1，D和E）測量。在第一階段（20分鐘總退火時間），該膜

9、是透明的，淺黃色，并顯示出X射線衍射峰在7.48°，12.23°，14.17°，28.51°（圖1C）。在7.48°的峰可能不被分配給任何鈣鈦礦或鉛鹵化物相和被推測與鉛鹵化物的DMF絡(luò)合物（33）的所述中間相關(guān)聯(lián)。中心在12.23ö的峰歸因于碘化鉛2，和峰值在14.17°和28.51°，被分配到CH 3 NH3的PbI3相。由于沒有任何PBCL2階段可能是我之間的離子交換的結(jié)果 - 在溶液中或在快速插層反應(yīng)，形成的鈣鈦礦相沉積過程中cl。在第二階段（60分鐘總退火時間），膜逐漸變成黑色，不透明和顯示有兩個普遍的XR

10、D峰在14.17°和15.57°，我們歸因于CH 3 NH3的PbI3和CH 3 NH3 PBCL3相分別（圖1C）。此外，該中間相（含有7.48少有的一個峰）消失了，可能是因為當(dāng)足夠的加熱，在膜中除去殘余的DMF的結(jié)果。過量的有機物種可能在這個階段的反應(yīng)的嵌入到所得到的無機框架。在第三階段（85分鐘，總的退火時間），膜變成了暗褐色透明，并且CH在第二階段中被CON-想當(dāng)然3的NH 3中pBcl3階段觀察到的，留下CH 3 NH3的PbI3作為主導(dǎo)相（圖1C），這與從CH 3 NH3 PBCL3中過量的CH存在3的NH 3我在薄膜生長轉(zhuǎn)化為CH 3 NH3的PbI3一致。如

11、由先前的結(jié)果（34,35），則CH 3 NH3 PBCL3階段顯示相對較低的熱穩(wěn)定性，與CH 3 NH3的PbI3相比較。該CH的分解3的NH 3中pBcl3相可釋放CH 3 NH3氯被取代的過量CH 3 NH3我以形成CH 3 NH3的PbI3和/或CH 3 NH3的PbI3-X X氯。在XRD測量所描述的相變ISIN在每個階段相應(yīng)采取的SEM圖像非常吻合。兩個物種具有不同的對比度，觀察該膜在第二階段（圖1D）。在第三階段（圖1E），該膜顯示了橫跨整個視野，這是由前階段明顯不同的類似的對比和晶粒尺寸。未經(jīng)控制的濕度，但是，在薄膜形成過程中進行完全不同。作為參考，干燥空氣的條件下制造的薄膜進行

12、了研究，并且詳細的XRD和SEM表征將在fig.S5（31）。無強CH3NH3PbCl3階段觀察到的代表性的階段，以及最CH3NH3PbI3-xClx定膜通過碘化鉛物種的逐漸消耗形成為主。鈣鈦礦成膜水分的參與機制可能與吸濕性有機物質(zhì)的CH3 NH3 PBX3相和離子晶體的性質(zhì)起源：水分可以通過部分溶解反應(yīng)物質(zhì)在成膜過程中增強了重建進程，影片中加速大規(guī)模運輸。該CH3NH3PbI3-xClx薄膜生長在30的相對濕度中空氣表現(xiàn)出增強的光電特性與在無水條件下生長的薄膜進行比較。我們使用時間分辨光致發(fā)光（PL）來表征玻璃基板上制備薄膜的輻射和非輻射性載流子復(fù)合（圖2A）。在具有增強的重建的膜的PL減時

13、間為736毫微秒，這是有可能抑制非輻射復(fù)合通道減少的缺陷密度的結(jié)果是（具有382納秒的壽命基準(zhǔn)時間相比較）。圖2圖2.光致發(fā)光和光電特性。（A）光致衰減的控制濕度（紅色圓圈）和干燥的空氣（藍色方塊）制鈣鈦礦薄膜的曲線。A.U.，任意單位。 （B）的合資公司根據(jù)相應(yīng)薄膜器件的曲線。（C）用Y型TiO 2的器件的JV曲線與未摻雜的TiO 2相比。（D）合資公司有和沒有PEIE修改設(shè)備的曲線。我們進一步處理，在鈣鈦礦載體行為和相關(guān)的膜的性質(zhì)對器件的性能，用相同的結(jié)構(gòu)器件基于所述兩個膜（31）被制造。其相應(yīng)的電流 - 電壓（JV）的特性（圖2B）表明，該重建過程可以增加鈣鈦礦設(shè)備PCE從13.5至16

14、.4。顯著改善了同時在開路電壓下觀察從1.02至1.11V和填充因子從61.41到65.88，它們共同表示載流子復(fù)合已明顯減輕。具有增強的重建的膜。這些發(fā)現(xiàn)暗示鈣鈦礦的光電特性受從CH3NHPbCl3到CH3NH3PbI3和/或CH3NH3PbI3-xClx的相位轉(zhuǎn)換，并且它們進一步強調(diào)的是，在CH3NH3PbX3的鹵化物是至關(guān)重要的由其在密切參與確定所述材料的特性成膜。我們還通過使用Y型二氧化鈦，以改善該層的導(dǎo)電性操縱在ETL載體的行為。雖然二氧化鈦的同時阻止空穴通常被用作在ETL和具有適當(dāng)能量的電子轉(zhuǎn)移，其電導(dǎo)率為1/10，其的螺 - OMeTAD（36），這可能導(dǎo)致不必要的歐姆損失或一非

15、理想的空間電荷分布內(nèi)的設(shè)備。以提高電子輸送性，Y型摻雜的TiO 2已被成功用作染料敏化太陽能電池和鈣鈦礦型太陽能電池中的中孔的支架;然而，它仍需要高溫?zé)Y(jié)（25）。這里，Y型的TiO 2納米晶體加工時用作耦合的平面異質(zhì)結(jié)的ETL的低溫（150）。太陽能電池用的TiO 2和Y的TiO 2作為ETL的合營特性示于圖2C。二氧化鈦為基礎(chǔ)的細胞產(chǎn)生的短路電流的1.06 V19.9mh/cm2，開路電壓（V OC）（J SC），并填寫了65.44，因子（FF），收益為13.8一PCE，而在Y-TiO 2的基礎(chǔ)元件具有22.8mh/cm2焦耳SC和16.5的一個四氯乙烯。有沉積在兩個襯底的鈣鈦礦薄膜的吸光

16、度之間無明顯差別。四點電導(dǎo)率測量結(jié)果表明較高的導(dǎo)電性（2×10-5 S/ cm）的用于Y的TiO2膜相對于未摻雜的TiO2膜（6×10 -6 S / cm）的，可能是由于增加的載流子濃度。在器件中的串聯(lián)電阻也從9.12至5.34歐姆減小。Y型的TiO 2的改進的導(dǎo)電率相匹配的螺OMeTAD（26），它平衡了載流子傳輸，以減少非理想的空間電荷分布的。圖3圖3.效率的措施（A）合資曲線無抗反射涂層冠軍單元；（B）直方圖太陽能電池效率為40設(shè)備； （C）的一個典型的單元的歸一化的EQE譜；（放大圖），該裝置的相應(yīng)的合資曲線。在TiO 2和透明導(dǎo)電體之間的界面處的肖特基勢壘可造成的

17、最大功率輸出的明顯減少，當(dāng)它變得太大（37）。總的原則，以減少在某個設(shè)備上的n型側(cè)上的金屬 - 半導(dǎo)體結(jié)的界面屏障，以減少所使用的金屬的功函數(shù)。修飾的電極來實現(xiàn)的功函數(shù)接近或更低比TiO 2的費米能級，然后將促進電子收集在界面處。這里，PEIE在甲氧基乙醇中的溶液（0.1重量，被用來形成在ITO表面上的超薄層物理吸附的）。所引入的分子偶極相互作用成功地降低了ITO的功函數(shù)為4.6至4.0電子伏特。這種轉(zhuǎn)變可能有助于促進從theTiO2提高電子傳遞到ITO層。如圖2D中所示。中觀察到的PEIE改性的設(shè)備增加了填充系數(shù)，它是用一阻擋載流子注入電極的抑制相一致。PEIE變形使鈣鈦礦型太陽能電池用四氯

18、乙烯>15，其中V OC=1.04 V，J SC=19.9mh/cm2，和FF=73.28。作為比較，未經(jīng)PEIE修改該器件顯示出V OC=1.04 V，J SC=18.9mh/cm2，和FF=65.25。此外，我們觀察到的鈣鈦礦薄膜與相關(guān)的形態(tài)變化的一個略微減小的表面粗糙度由于PEIE的在ITO基片（圖六），（31）的工作。圖4圖4.載流子壽命。在控制的濕度（紅色圓圈）和在干燥空氣中（藍色正方形）處理的鈣鈦礦吸收裝置（A）的瞬態(tài)光致電壓的衰減曲線。（B）設(shè)備的基于二氧化鈦（藍色方塊）和Y型二氧化鈦（紅色圓圈）的ETL瞬態(tài)光電流衰減曲線整個承載通路的優(yōu)化組合，導(dǎo)致了19.3在AM1.5光

19、照下一個設(shè)備的PCE無抗反射涂層; theV OC，J SC和FF是1.13V，22.75mh/cm2，和75.01，分別為（圖3）。以J SC測量中的誤差在5以內(nèi)，考慮thatblight強度，光譜失配和測試掩模孔徑效應(yīng)（31）。在一般情況下，器件表現(xiàn)出V OC=1.04到1.15 V，J SC=18.16到22.80mh/cm2，F(xiàn)F =66.9至76.3，將所得的四氯乙烯=14.5至19.3。平均裝置效率大于16.6，這說明該方法的重現(xiàn)性好。外部量子效率的典型裝置的（EQE）譜（圖3C）（內(nèi)部測量V OC，J SC，F(xiàn)F和四氯乙烯是1.08伏，21.26mh/cm2，75.36，和17.

20、3，分別AM1.5G下，如圖3（c）中的插圖顯示了發(fā)病光電流在790納米，與CH3NH3PbI3-xClx的報道帶隙（18）是一致的。使EQE達到在約550nm的峰值與從600nm的逐漸降低，這表明光電流損失，由于任一功能不全的鈣鈦礦層或光干涉的吸收。使用簡單的平面結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)這種高效率的器件用低溫處理證實鈣鈦礦材料在光電伏打應(yīng)用的巨大潛力。代表性裝置示出了滯后的電流 - 電壓曲線（圖S8），（31），其類似于一個最近的報告（38）的結(jié)果。我們還進行了鈣鈦礦型太陽能電池的初步穩(wěn)定性研究通過存儲在不同的環(huán)境中的設(shè)備。如圖fig.S9（31），該裝置存儲在任一干燥空氣或氮氣保留8024小時后的6天里

21、，在那里，存儲在周圍空氣中的裝置的20后的初期性能的保留小于2024小時后6天5后的初期性能。這些結(jié)果表明，與先進封裝技術(shù)更好的穩(wěn)定性是必要的，對實際使用的鈣鈦礦型太陽能電池。為了進一步檢驗的改進器件特性的起源，我們使用瞬態(tài)光電壓和光電流的測量，調(diào)查以及在細胞中完成了整個通道的載流子動力學(xué)。陳德良過性光致電壓測量，這關(guān)聯(lián)到在吸收器中的電子的壽命，提供洞察載流子復(fù)合速率的細胞。兩個設(shè)備進行了比較：一個是基于增強的重建鈣鈦礦薄膜（V OC=1.13 V，J SC=22.06mh/cm2，F(xiàn)F=71.25，PCE=17.76），而其他的是沒有參考增強重建（V OC=1.02 V，J SC=20.53

22、mh/cm2，F(xiàn)F=61.41，PCE=12.85）。基于該電壓衰減時間，該設(shè)備具有增強的重建的膜表現(xiàn)出比參考細胞（圖4A）的較長的50的電子的壽命。在兩種情況下，光電壓衰減常數(shù)是微秒上的刻度。這是非常慢微秒時間尺度復(fù)合的，在環(huán)境的太陽能強度（39）的觀察結(jié)果一致，表明該載流子復(fù)合是主要是由鈣鈦礦層的限制。這一結(jié)果還顯示，從大幅減少的陷阱密度在鈣鈦礦材料或在其接口通過增強重建成膜的光電壓衰減時間的好處。這個觀察是在與兩個長載流子壽命好的協(xié)議，如前面提到的，并且降低飽和電流密度（圖S10），（31）。注意，在這里報道的高VOC值接近熱力學(xué)極限，這是由在吸收器（40）的輻射復(fù)合的限制。瞬態(tài)光電流的

23、測量表明，在器件載流子遷移通過修飾在二氧化鈦層改善。在Y的TiO2系的設(shè)備表現(xiàn)出更快的光電電流衰減比的參考設(shè)備，其中，所述鈣鈦礦層，用同樣的方法沉積。該結(jié)果是根據(jù)對PL測量（圖S11），（31），其中，在Y型TiO 2層的鈣鈦礦顯示出衰減時間小于基準(zhǔn)的30。在Y-TiO2催化裝置更有效的載波提取可能是由于僅有一名Y型二氧化鈦層的改進的界面。UPS的表征顯示出在Y-TiO 2層的費米能級的輕微向上病房移，表明響應(yīng)于所述增強導(dǎo)電性的施主濃度增加。這是由電容 - 電壓測量而定（fig.S12）（31）進一步證實。在折痕施主濃度通常會減少空間電荷耗盡婦女參與發(fā)展該接口（26）。據(jù)推測，窄的耗盡區(qū)降低了

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