Solar RRL :水、氧对钙钛矿薄膜合成的影响:实现可空气加工的高效率钙钛矿太阳能电池

基于CH3NH3PbI3这一类有机无机杂化钙钛矿材料的太阳能电池作为光伏领域的一颗新星,因其具有低成本、可溶液加工、高的光吸收性能、优异的电子性能等诸多优势,尤其是在短短的几年间其光电转换效率由3.8%急剧增加至22.1%,在未来绿色能源领域显示了前所未有的优势。众所周知,钙钛矿活性层的质量直接制约着其电池性能,目前的高效率器件全部制备于充满惰性气氛的手套箱中。这种水氧含量被严格控制在小于1 ppm的惰性环境将大大增加今后开发“卷对卷”连续印刷钙钛矿太阳能技术的制备成本。为此,亟待开发一种可空气中加工的钙钛矿薄膜技术,拓宽该类太阳能电池制备工艺的操作窗口。

香港城市大学材料科学与工程系曾世荣博士及其课题组成员针对这一问题首先系统地探讨了空气环境如何影响钙钛矿的成膜。以往的研究均着重在水分对钙钛矿薄膜的影响,此次该团队发现水分会加快PbI2的结晶过程从而形成树枝结构的PbI2。值得指出的是,该团队首次报道了氧气严重影响了PbI2前驱体溶液在基底上的润湿性,这两方面因素大大降低了空气中制备高质量钙钛矿薄膜的可能性。为解决这一难题,该团队提出通过对基底及前驱体溶液进行简单的预加热处理,该方案可增强了薄膜旋涂过程中溶剂的挥发以形成一个DMF氛围的保护层,从而有效地屏蔽了旋涂过程中空气中的水分及氧气对薄膜成膜的影响。最终在空气湿度为70%RH的环境下得到光电转换效率为18.11%的高效太阳能电池。

该团队成员相信此项研究不仅填补了以往研究者们对空气环境如何影响钙钛矿成膜的认识的空缺,同时为今后开发可空气加工钙钛矿太阳能电池技术提供了新的思路。相关论文在线发表在Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201700097), 并于当期Front Cover作简要介绍。

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