中间物卤素交换—大尺寸晶粒高质量FAPbI3-xBrx钙钛矿薄膜的制备

新型的有机无机杂化钙钛矿材料因其具有优异的光电性能,自2009年开始,在短短几年时间内,其光电转化效率从初始的3.8% 迅速上升到了由美国可再生能源国家实验室(NREL)认证的最高效率22.1%。其高转换效率、低制备成本以及低温制备适用于柔性器件等优点吸引了学术界和工业界的广泛关注。

为了达到良好的结晶质量,在钙钛矿多晶薄膜的生长过程中,需要减少成核中心,同时减缓晶体生长速率,这样晶粒才能够充分长大。大尺寸晶粒能有效地减少由晶界引入的缺陷浓度,使得钙钛矿薄膜具有更好的光电性能,以及显著地提高其湿度和温度稳定性。

AENM-xujianbin

近日,香港中文大学电子工程系许建斌教授团队使用中间物卤素交换反应,成功地制备了高结晶性大尺寸晶粒钙钛矿薄膜,以及其高效率钙钛矿电池。首先,他们通过碘化铅与氢溴酸反应合成配位完全的前驱体HPbI2Br,从而减少了前驱液中溶剂分子和钙钛矿胶体的配位。然后,用HPbI2Br来取代传统的PbI2与过量的FAI反应。由于HPbI2Br具有较弱的热稳定性,在钙钛矿生长过程中它能够与FAI之间进行Br和I卤素离子交换,最终实现了制备高质量的FAPbI3-xBrx薄膜。卤素交换过程能有效地减缓钙钛矿晶粒的生长速率,从而有利于晶粒的充分长大,最终钙钛矿薄膜的晶粒尺寸达到2-3微米。这类大尺寸晶粒钙钛矿多晶薄膜还是首次在文献中报道。经测定,最终合成的钙钛矿薄膜中Br和I的摩尔比为17.2%,制备出的钙钛矿太阳能电池能量转化效率达到了19.0%。 同时由于其大尺寸晶粒和高结晶性,钙钛矿薄膜的湿度和热稳定性都有了极大的提升。该方法从结晶过程的控制入手,更好地促进了晶粒的长大,进而显著地改善了薄膜质量。同时该方法去除了结晶过程中抗溶剂的使用,简化了钙钛矿薄膜制备工艺过程,提高了电池制备的成功率。该方法也可在制备其他各种高效率钙钛矿电池体系过程中进行推广应用,有助于进一步推动钙钛矿太阳电池完成从实验室开发到实际应用的巨大飞跃。

相关工作研究成果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201601882)上。