添加剂的协同作用:大幅提升层状钙钛矿太阳能电池效率

有机无机杂化钙钛矿,如CH3NH3PbI3和CH(NH2)2PbI3等,具有优异的光电性质和良好的溶液法加工特性,是最理想的太阳能电池材料之一。有机无机杂化钙钛矿太阳能电池在近几年取得了飞速发展,目前报道的能量转换效率(PCE)已经超过22%。除了效率之外,稳定性也是太阳能电池产业化的一个重要指标。很遗憾的是,这种三维结构的钙钛矿具有较差的稳定性,尤其是在高湿度的情况下很容易分解。

层状钙钛矿(Ruddlesden-Popper Perovskite)是一类钙钛矿衍生物,在晶体结构上具有交替的有机层和钙钛矿正八面体层。层状钙钛矿可用通式(RNH3)2An−1MnX3n+1表示,其中n是钙钛矿正八面体层数, RNH3+ 是大体积有机铵离子,A、M、X分别是三维钙钛矿的组成元素。由于疏水性有机层R的引入,层状钙钛矿在高湿度环境下可以表现出很好的稳定性。因此,层状钙钛矿有望成为解决钙钛矿稳定性问题的有效方案。但是,层状钙钛矿给太阳能电池带来新机遇的同时也带来了新的问题。由于其低载流子迁移能力,有机层的引入阻碍了载流子的拆分和传输,导致层状钙钛矿太阳能电池较低的能量转换效率。

近日,瑞典林雪平大学高峰副教授、香港城市大学C.S. LEE教授和新加坡南洋理工大学T.C. SUM副教授团队合作,提出了一种提升层状钙钛矿太阳能电池效率的新方法。该方法通过在前驱体溶液中引入二甲基亚砜(DMSO)和氯甲铵(MACl)双添加剂和使用二甲基甲酰胺(DMF)溶剂退火实现。研究发现,通过DMSO和MACl添加剂的协同作用可以制备出具有高平整度、高结晶度、大晶体尺寸和少缺陷态的高质量的层状钙钛矿薄膜。而且,这种薄膜具有择优取向,其钙钛矿正八面体层垂直于基底,非常有利于载流子的传输。另外,这种薄膜具有相梯度分布特性,可以自组装成type-II异质结,有利于光生载流子的快速拆分。基于该方法制备的高质量层状钙钛矿薄膜应用在太阳能电池中可以大幅度提升能量转换效率至12%以上,远远高于参比器件1.5%左右的效率。更重要的是,该方法具有普适性,可以应用到其他的层状钙钛矿材料体系中。该方法为制备高效率和高稳定性的钙钛矿太阳能电池打下了基础。该工作以“Aligned and Graded Type-II Ruddlesden–Popper Perovskite Films for Efficient Solar Cells”为题发表在Advanced Energy Materials上(DOI: 10.1002/aenm.201800185)。

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