Solar RRL:碘化铵混合维钙钛矿太阳电池在不同湿度下稳定性机理的剖析

有机金属卤化物钙钛矿材料由于其低的激子结合能,直接可调的带隙和长的载体扩散长度等优点引起了全世界研究者的广泛关注。短短的几年时间内,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从2009年的3.8%迅速提高到目前的23.3%。但是,钙钛矿材料在高温、氧气、紫外光照和太阳光照,尤其是湿度环境下差的稳定性阻碍了它的进一步发展。因此,提高钙钛矿太阳电池的湿度稳定性成为目前迫切的需要。

针对钙钛矿材料湿度不稳定的问题,前期,中科院合肥物质科学研究院的潘旭课题组已经成功的制备得到了具有高湿度稳定的[(NH4)2.4(FA)8Pb9I28.4]0.85(MAPbBr3)0.15混合维钙钛矿材料,通过详细研究碘化铵基混合维钙钛矿材料在不同湿度下的老化性能变化深入剖析并验证了其高湿度稳定性的可能机理过程。

通过对比常规三维钙钛矿和碘化铵基混合维钙钛矿薄膜和电池在10%,40%,70%和99%(饱和蒸汽压)不同湿度下标准PCE,标准吸收强度,薄膜形貌,UV-vis吸收和PL谱以及晶体结构等性能的变化情况,他们提出了碘化铵基混合维钙钛矿表现出高湿度稳定性的机理过程。MD钙钛矿薄膜于湿度环境下放置后,其主要表现为这三个过程:(1)首先,NH4+和FA+将进行离子交换,FA+扩散到内部,NH4+扩散到表面;(2)然后,表面NH4+将与水分子结合,形成NH4PbX3(H2O)2(X=I或Br),然后在薄膜表面连续形成2D钙钛矿保护层。随着老化时间增加,越来越多的2D保护层在钙钛矿膜表面和周围形成,抵抗水分子的进入,保护内部的3D钙钛矿结构,以避免其分解。(3)迁移后的FA+会形成部分黑色相FAPbI3和部分黄色相FAPbI3。随着老化时间的增加,更多FA+迁移到内部,形成更多黄色相FAPbI3,而黄色相FAPbI3在连续照明下转换为黑色相FAPbI3,因此MD钙钛矿表现出高湿度下效率不降低。

然而,在70%湿度下,少量的水分子会慢慢进入MD钙钛矿,导致3D钙钛矿轻微的分解,因此PCE轻微减少。在饱和蒸汽压下,由于湿度过高,水分子会迅速渗透到钙钛矿中,使MD钙钛矿没有足够的时间形成2D防护层,直接分解,因此表现出和FA一样差的湿度稳定性。此外,通过对老化后的薄膜和电池进行进一步的表征,验证了上述过程的存在。这一发现为解决钙钛矿的湿度不稳定性提供了良好的前景并将促进钙钛矿太阳电池的发展。

相关研究工作“Study on the Stability of Ammonium Iodide-Based Mixed-Dimensional Perovskite Solar Cells under Different Humidity”在线发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201800276)上。

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