Solar RRL:适用于大面积制备钙钛矿薄膜的新型溶剂体系——一种新的设计思路

化石燃料等不可再生能源的迅速消耗及其伴随而来的环境问题亟待解决。利用光伏技术,将清洁的太阳能转换成电能,是最为高效的可持续能源发展模式。近来,有机-无机杂化钙钛矿材料凭借其优异的光电性质、低成本和溶液加工性引起了学术界的广泛注意。在短短几年里,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从3.8%提高到22.1%,体现出巨大的应用价值。然而,现阶段实验室制备的高品质钙钛矿薄膜大多使用二甲基甲酰胺(DMF)这种有致癌性和易挥发性的溶剂体系,使得其大面积化制备成本非常高。因此,开发一种具有无毒性、适中挥发性和高效钙钛矿成膜率的溶剂体系,对实现钙钛矿太阳能电池的工业化生产至关重要。

荷兰霍尔斯特中心Yulia Galagan博士及其合作团队依据Hansen模型,设计了一种基于二甲基亚砜(DMSO)、二甲基吡嗪(2-Methylpyrazine)和1-戊醇(1-Pentanol)的无毒性混合溶剂体系,制备出了高品质的钙钛矿薄膜。通常,由于DMSO与Pb2+形成强配位键和高沸点的特性,钙钛矿前驱体在旋涂后形核率较低,后续薄膜热处理时易生成大量柱状晶而导致钙钛矿活性层的覆盖率很差。研究人员首先分别利用N2气流和抗溶剂提高了DMSO的挥发速率,使旋涂后的前驱体晶核密度显著提高,并成功地制备出高致密度的活性层。但是,以DMSO为单一溶剂制备的钙钛矿薄膜在热处理后结晶性仍然很差,所得的器件效率也不甚理想。作者发现,无毒、低沸点的2-Methypyrazine与DMSO展现出很好的混溶性,且与Pb2+的配位能力相对更弱,因此可被用作DMSO的共溶剂。此外,为了提高钙钛矿前驱体溶液在基底上的润湿性,研究人员还在其中加入了降低表面张力的1-Pentanol。这一新型混合溶剂展现出良好的钙钛矿前驱体溶解性、基底润湿性和溶剂挥发速率,其所制备的钙钛矿薄膜体现出高致密度和结晶性。随着对旋涂步骤的进一步优化,基于DMSP/2-Methylpyrazine/1-Pentanol(50%:45%:5%)溶剂体系的钙钛矿太阳能电池获得了超过16%的稳态光电转换效率,同以DMF为溶剂的参照器件相差无几。最后,研究人员将混合溶剂中高沸点的DMSO的体积浓度降低至25%,发现钙钛矿薄膜的形貌和太阳能电池器件性能并未受到影响。作者相信,这种无毒、挥发性可调的新型溶剂体系为未来大面积制备钙钛矿薄膜提供了很好的设计思路。

相关工作于近期发表在Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201700091)上。