单片状晶粒组装的高效稳定钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池具有制备成本低,光吸收性能强,非辐射载流子复合速率低等优点,是一种有希望被实际应用的电池结构。为了获得稳定和可重复制备的高性能电池,研究人员主要通过控制钙钛矿薄膜制备过程中的一些至关重要的因素,包括薄膜沉积方法和反应物组成。一些通过改变钙钛矿前驱液的组成来调控其结晶性和表面形貌的方法已经有相关的研究。主要集中在改变其中的无机铅源和有机物组分,制备的薄膜的能带宽度,热稳定性,晶粒尺寸和离子迁移行为等出现了显著的变化。除了这两种组分的影响,许多可以提供电子的配合物(Lewis碱)也对改变钙钛矿薄膜性质有着显著的效果。目前,最常用的电子给体是二甲基亚砜(DMSO)。它会和前驱物形成中间相,从而降低成膜过程中PbI2和有机基团过快的结合。然而,由于DMSO和Pb之间配位作用很弱,很容易从PbI2骨架中脱出,直接导致钙钛矿生长的不充分。因此,在制备钙钛矿的过程中需要更稳定的配位作用。

AENM-caoguozhong

中科院北京纳米能源与系统研究所曹国忠研究员和北京科技大学田建军教授及其研究团队对钙钛矿前驱体溶液中控制引入硫脲配体,随后,又进行两步连续乙酸乙酯(EA)界面处理,最终制备出了单片状晶粒的钙钛矿薄膜。硫脲在CH3NH3PbI3前驱液中会形成相对较稳定的中间相MAI•PbI2•S=C(NH2)2,控制了反应的结晶速率。第一步EA处理会促进钙钛矿薄膜的形成,第二步处理则是为了萃取出残留在钙钛矿晶粒表面的硫脲,同时打开晶粒之间的间隙。得益于2μm以上的平均晶粒尺寸和充分的空穴传输材料的渗透,形成的钙钛矿薄膜吸光性能优异,表面缺陷态得到抑制,电荷分离更快。电池的光电转化效率达到18.46%,同时有着高的的稳定性和可重复率。这种薄膜在超弱光(0.05%太阳光强)下也表现出优秀的电压响应,将有希望应用于光电探测器和光电传感器。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201602017)上。