超稳定钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜

as有机-无机杂化钙钛矿型太阳能电池近年来引起极大的关注,其光电转换效率从2008年的~3.8%迅速提高到如今的20.1%。这个数值已经和传统的薄膜太阳能电池相当,比如:铜铟镓硒和碲化镉太阳能电池的效率分别为21.7%和21.5%。钙钛矿型太阳能电池另外一个重要的特点是其制作可以采取传统的湿法化学合成方法,从而较少的使用高温真空技术。这样可以大大的降低制作成本,因此被认为是新一代低成本太阳能电池。

近几年的广泛研究已经对此材料的性质,电池的工作原理有了全面的认识。电池制作方法也日趋成熟。然而,就实际应用来说,此种材料一个致命的问题是对水的稳定性。在中等湿度下,钙钛矿材料吸收层可在数天之内迅速分解,从而导致太阳能电池的光电转换效率锐减。对此问题,目前仍没有找到比较有效的解决办法。

近日,香港中文大学物理系陈涛教授(现中国科学技术大学)及其团队通过一种固-气反应的方法合成出超稳定的钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜。在中等的湿度下(40%),此薄膜的光吸收能力和光电转换效率在100天之内均没有衰减。实验表明,极为紧致的CH3NH3PbI3纳米晶排列成膜是一个至关重要的因素。为了得到没有微孔的薄膜,他们首先合成了PbI2多孔薄膜作为固定相,然后置于140 oC的CH3NH3I的气氛中。PbI2与CH3NH3I反应生成CH3NH3PbI3的过程会造成体积膨胀,最终填满空隙,得到无微孔薄膜。另一方面,实验发现薄膜中若是嵌入DMF分子将会促进水分子的吸附,从而加速水解过程。通过调节反应温度,时间和PbI2薄膜的孔隙率,可以实现致密的钙钛矿薄膜和有效的DMF脱附。该研究对材料的稳定性提供了新的理解,对于制作更加稳定的薄膜及器件提供了一个有效的策略。相关论文参见Adv. Sci. 2015, 1500262