分步离子交换方法打造高效高稳定性混合钙钛矿电池

随着化石能源的日渐枯竭和环境问题的日益严重,清洁能源的开发和利用成为了解决此类问题的重要方案。而太阳能又是清洁能源中最普遍也最为重要的一个选项。硅太阳能电池经过几十年的发展已经逐步商业化,但是高效率的硅太阳能电池仍然存在制备成本高,体积偏大且笨重的不足。近年来,人们尝试希望能找到一种制备简单,轻便柔性的低成本高效率太阳能电池。有机无机杂化钙钛矿基太阳能电池由此脱颖而出。

自有机无机杂化钙钛矿材料在2009年作为光活性层首次被应用于染料敏化电池,短短八年时间,经过一系列的结构和成分优化,多晶薄膜钙钛矿太阳能电池在制备工艺的简化和成本的控制上取得了令人嘱目的进展,并且迅速达到了媲美单晶硅电池的太阳能转化效率(22.1%)。然而,由于有机成分的存在,这种材料的本征稳定性相对较差。但是人们发现就混合离子钙钛矿(FAPbI3)1-x(MAPbBr3)x薄膜而言,适当调节前驱液中两种钙钛矿的组分(x=0.2),可以使得混合离子钙钛矿薄膜取得最佳的吸收效果,然而,与此同时,由于这两种钙钛矿材料各自稳定的晶体结构不同,结晶过程中会出现结构互相竞争现象,导致混合钙钛矿薄膜结晶度较低,结构缺陷较多,从而大大降低了薄膜的稳定性和器件的效率。

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近期,香港中文大学许建斌团队和暨南大学谢伟广团队合作,设计了一种混合离子钙钛矿薄膜的新型合成方法,从而提升电池的效率和稳定性。首先采用溶液法沉积混合钙钛矿中占主导的FAPbI3薄膜,接着用溶解了MABr的叔丁醇溶液处理已沉积的FAPbI3薄膜表面。由于叔丁醇对FAPbI3溶解度极小,不会破坏原本薄膜,同时溶液里的MA+和Br会相应替换一部分原先的FA+和I,最终形成混合钙钛矿薄膜。这一方法把混合离子钙钛矿的合成分解为两步:第一步先建立高结晶度的FAPbI3晶体框架;第二步的双离子置换中,一方面MA+和Br会首先填充满原先FAPbI3薄膜晶界上的结构缺陷。从而结构缺陷的抑制可以抑制钙钛矿中的离子移动,延长载流子扩散长度;另一方面进一步置换部分FA+和I,可以优化薄膜的吸收,释放晶格应力。采用这一方法制备的混合离子钙钛矿薄膜,其65%湿度稳定性超过了一个月,电池效率达到了18.1%,且离子移动和电学回滞现象大大减小。

此方法在合成混合离子钙钛矿薄膜上的成功应用也启示我们,分布沉积和离子交换作为原先两步法合成钙钛矿的一种延伸,充分利用了钙钛矿其有机无机杂化的特征,是对钙钛矿进行功能化处理优化的一种重要手段。未来的更多基于分步离子交换的方法可以进一步提升钙钛矿薄膜的各种光,电,化学性能,并进一步拓展钙钛矿薄膜的广泛应用。

本工作以封面文章形式发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201700118)上,第一作者为香港中文大学博士生张天恺和博士后龙明珠。