Solar RRL:蒸镀辅助的溶液法制备锡基钙钛矿电池

有机无机卤化钙钛矿材料,自2009年用于太阳能电池后,引起了科学界的广泛关注。由于出色的吸收特性,较低的缺陷态密度,优异的载流子扩散距离,钙钛矿材料在光电器件领域取得了长足的进步。尤其是光伏方面,电池的效率已从3.8 %达到了认证的22.7 %。目前,钙钛矿光电器件的吸光层多为铅基钙钛矿,其中铅元素对生态环境具有相当的毒性。取代铅元素以制作对环境友好的无铅钙钛矿电池是科学界正在努力的方向。

目前,与铅同主族的锡元素是一合适的替代选择,基于锡基的钙钛矿多用溶液法制备。与铅基材料相比,锡基钙钛矿薄膜结晶速率快,成膜过程难以控制,较难形成致密无孔的膜层。而吸光层的孔洞对于光伏器件是极有害的。它会增加界面复合,减少载流子寿命,影响电池的性能。为解决成膜不致密的问题,通常考虑采用热蒸镀法进行膜层制备。但完全的热蒸镀法对于掺入膜层的抗氧化剂—-氟化亚锡的用量及均匀性难于精确调控(锡基钙钛矿材料易于氧化,需加入氟化亚锡以抑止二价锡元素的过度氧化)。

基于以上的考虑,南京大学朱嘉教授课题组发展了一种蒸镀辅助的溶液法(Evaporation-assisted solution method,EAS method),将蒸镀法与溶液的方法相结合,在锡基钙钛矿体系里形成致密的膜层。具体来说,通过溶液旋涂法制备碘化亚锡的薄膜,紧接着利用蒸镀法在碘化亚锡表面形成致密的碘化铯的薄膜,最终通过退火可以形成无孔洞的锡基钙钛矿膜层。一方面,此方法吸取了溶液法的优势,可以在溶液中方便地调节氟化亚锡的量达到最优值,且在溶液旋涂的过程中能够保证氟化亚锡的均匀分散;另一方面,充分发挥热蒸镀法的优点,利于形成致密无孔洞的锡基钙钛矿膜层。膜层质量的提高对太阳能电池效率的提升具有较大帮助。通过比较,传统一步溶液法所制备的无铅CsSnI3电池效率在1.34% 左右,而通过EAS方法,电池的效率达到了2.23%,具有明显的提升。

研究人员相信此种方法不仅可以用于CsSnI3太阳能电池的制备,还将运用于各种成膜困难的材料体系以取得提升的器件性能。

本工作发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201700224)上,第一作者为南京大学现代工程与应用科学学院博士生朱鹏臣。

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