通过增大晶粒尺寸和提高结晶度可获得稳定的宽禁带MAPbBrxI3– x钙钛矿材料

as基于钙钛矿材料碘化铅甲基胺(MAPbI3)的太阳能电池技术在过去的几年时间里取得了极大的发展,受到研究人员和产业界人士的广泛关注,被认为是新一代廉价太阳能电池技术中的杰出代表。目前钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经超过20%,为了突破单结太阳能电池的效率极限(Shockley-Queisser limit),研究人员尝试将钙钛矿吸光材料MAPbX3与其它具有较窄禁带宽度的太阳能电池(如硅太阳能电池)进行集成,制备成叠层太阳能电池(Tandem solar cells)。混合卤素钙钛矿材料MAPbBrxI3-x可通过改变Br和I的比例实现其禁带宽度由1.6 eV至2.3 eV的连续可调,是目前最有可能与硅太阳能电池进行匹配制备出高效叠层太阳能电池的宽禁带钙钛矿吸光材料。但是,MAPbBrxI3-x在光照条件下的不稳定性,使得其在太阳能电池中的应用面临巨大的挑战。

来自美国内布拉斯加大学-林肯分校的研究团队(Jinsong Huang Group)报道了一种通过增大晶粒尺寸和提高结晶度来获得稳定宽禁带钙钛矿吸光材料MAPbBrxI3-x的方法。研究表明,在非润湿性的空穴传输材料PTAA表面沉积MAPbBrxI3-x薄膜,其晶粒尺寸大于薄膜厚度数倍(如图a),而在传统PEDOT:PSS基底表面采用同样工艺获得的MAPbBrxI3-x薄膜,其晶粒尺寸远小于薄膜的厚度(如图b)。这种大晶粒的形成是由于PTAA表面的疏水性影响其成核及晶粒生长机制所造成的。除了基底的表面能,MAPbBrxI3-x薄膜的厚度对其微观形貌也有一定影响。当MAPbBrxI3-x薄膜厚度达到540 nm时,薄膜底层主要由较小的晶粒构成,而薄膜的上层部分仍然由较大的晶粒构成(如图c)。通过对比具有不同微观结构MAPbBrxI3-x薄膜的PL、EQE以及XRD图谱,发现提高结晶度和增大晶粒尺寸有利于混合卤素钙钛矿MAPbBrxI3-x薄膜太阳能电池在工作(光照)条件下保持均一相。采用由大晶粒构成的1.72eV宽禁带MAPbBrxI3-x薄膜所制备的太阳能电池器件其稳态光电转换效率达到16.6%(如图d),是目前采用宽禁带钙钛矿材料所制备太阳能电池获得的最高效率。除此之外,增大MAPbBrxI3-x晶粒尺寸还可以有效改善其在光照条件下的稳定性。如图e所示,所制备器件在0.99 V和1.06 V的偏压条件下,其光电流在2000秒的时间内保持稳定。由此可见,微观形貌和结晶度对获得稳定的宽禁带钙钛矿半导体材料MAPbBrxI3-x尤为重要,而进一步研究晶界及晶粒取向对混合卤素钙钛矿材料相分离的影响,将有利于钙钛矿吸光材料的深入理解。他们的研究结果发表在Advanced Science杂志上。(DOI: 10.1002/advs.201500301)