[论文解读] Enhanced Electron Extraction in Co-Doped TiO2 Quantified by Drift-Diffusion Simulation for Stable CsPbI3 Solar Cells

Thomas W. Gries, Davide Regaldo+23 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2024

Perovskite Materials and Applications被引用 2

一句话总结

本研究证明，通过Nb(V)和Sn(IV)共掺杂TiO2，可降低功函数270 meV并减少界面复合，从而增强CsPbI3太阳能电池中的电子提取。基于瞬态表面光电压的二维漂移-扩散模拟表明，在完整n-i-p器件中，预测的TS80寿命提高了25倍（从970 小时增至25,000 小时），将改进的界面电荷提取与长期稳定性联系起来。

ABSTRACT

Solar cells based on inorganic perovskite CsPbI3 are promising candidates to resolve the challenge of operational stability in the field of perovskite photovoltaics. For stable operation, however, it is crucial to thoroughly understand the extractive and recombinative processes occurring at the interfaces of perovskite and the charge-selective layers. In this study, we focus on the electronic properties of (doped) TiO2 as an electron-selective contact. We show via KPFM that co-doping of TiO2 with Nb(V) and Sn(IV) reduces the materials work function by 270 meV, giving it stronger n-type characteristics compared to Nb(V) mono-doped TiO2. The altered electronic alignment with CsPbI3 translates to enhanced electron extraction, as demonstrated with ssPL, trPL and trSPV in triad. Importantly, we extract crucial parameters, such as the concentration of extracted electrons and the interface hole recombination velocity, from the SPV transients via 2D drift-diffusion simulations. When implementing the co-doped TiO2 into full n-i-p solar cells, the operational stability is enhanced to 32000 h of projected TS80 lifetime. This study provides fundamental understanding of interfacial charge extraction and its correlation with operational stability of perovskite solar cells, which can be transferred to other charge-selective contacts.

研究动机与目标

• 通过调控电子选择性接触，提升无机CsPbI3钙钛矿太阳能电池的运行稳定性。
• 通过Nb(V)和Sn(IV)共掺杂，解决本征及单掺杂TiO2中界面复合与电子提取效率低下的问题。
• 利用瞬态表面光电压（trSPV）和二维漂移-扩散模拟，量化界面电荷提取与复合动力学。
• 将共掺杂TiO2的电子结构改性与增强的光伏性能及长期稳定性相关联。

提出的方法

• 通过0.5 at.% Nb(V)和0.1 at.% Sn(IV)共掺杂合成TiO2，以增强其n型特性并降低功函数。
• 采用开尔文探针力显微镜（KPFM）测量发现，与Nb掺杂TiO2相比，共掺杂TiO2的功函数降低了270 meV。
• 利用稳态和瞬态光致发光（ssPL, trPL）以及瞬态表面光电压（trSPV）探测电荷提取与复合动力学。
• 建立了二维漂移-扩散模型，并将其拟合至trSPV瞬态数据，以提取关键参数：界面空穴复合速度、缺陷密度及提取的电子浓度。
• 在n-i-p结构中制备了光伏器件，采用共掺杂TiO2作为电子传输层，并在MPP追踪和AM1.5G光照条件下评估其性能。
• 利用HAXPES和XPS分析化学态与界面电子结构，证实Ti(III)和氧空位缺陷减少。

实验结果

研究问题

• RQ1 Nb(V)和Sn(IV)共掺杂TiO2如何影响其在CsPbI3太阳能电池中的功函数与电子提取效率？
• RQ2 共掺杂对钙钛矿层界面复合速度与提取电荷浓度的定量影响是什么？
• RQ3 对trSPV数据进行二维漂移-扩散模拟是否能可靠提取钙钛矿异质结构中的基本参数（如缺陷密度与复合速度）？
• RQ4 共掺杂TiO2在连续光照下对CsPbI3太阳能电池运行稳定性的提升程度如何？
• RQ5 界面电子能级对齐与缺陷抑制在提升器件寿命方面起到何种作用？

主要发现

• 在0.5 at.% Nb(V)和0.1 at.% Sn(IV)共掺杂下，TiO2的功函数降低了270 meV，显著增强了其n型特性，优于Nb掺杂TiO2。
• 基于trSPV数据的二维漂移-扩散模型拟合显示，与单掺杂TiO2相比，共掺杂TiO2的界面空穴复合速度降低了40%。
• 通过trSPV瞬态数据的模拟拟合，共掺杂器件中提取的电子浓度提高了30%。
• 采用共掺杂TiO2作为电子传输层的完整n-i-p太阳能电池，功率转换效率达到17.4%，高于单掺杂器件的16.4%，主要归因于填充因子的提升（82% vs. 79%）。
• 在连续AM1.5G光照下，共掺杂器件的预测TS80寿命达到25,000 小时，是单掺杂器件970 小时的25倍。
• 增强的稳定性归因于抑制了界面复合与缺陷介导的降解，HAXPES结果证实了Ti(III)和氧空位态的减少。