Solar RRL:自组装单分子膜包覆:提高钙钛矿太阳能电池稳定性的新方法

光电转换效率、稳定性、制备成本等因素是新型光伏器件技术迈向成熟商业产品过程中需考虑的重要因素。钙钛矿太阳能电池作为新型第三代薄膜太阳能技术,其光电转换效率在短短几年内从3.8%增长到22.7%,因此受到学术及工业界广泛的研究重视。然而钙钛矿太阳能电池较差的稳定性严重地限制了其商业化进程。钙钛矿太阳能电池由透明导电玻璃、电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层以及金属电极组成。其中钙钛矿光吸收层对环境中的湿度、空气、光热等及其敏感,空气中的水分可导致钙钛矿不可逆转的分解,从CH3NH3PbI3转变为PbI2和挥发性的CH3NH2, HI等产物,对电池器件造成永久性的破坏。此外,工作条件中连续光照和其产生的热能可加速钙钛矿的分解破坏。因此提高钙钛矿的稳定性成为研究的重点和热点。

近期,弗吉尼亚理工大学吴聪聪博士,Prof. Shashank Priya和华中科技大学池波教授团队开发出一种自组装制备工艺,对钙钛矿晶粒提供分子尺度的包覆,极大地提高了钙钛矿薄膜的水、光和热的稳定性。并且这种工艺采用易挥发乙腈作为制备溶剂,只需一步沉积可制备出高效、稳定的钙钛矿薄膜。该研究团队利用甲胺气体与CH3NH3PbI3晶体的作用制备出液态二维钙钛矿中间体,然后再引入疏水性高分子PMMA的乙腈溶液,PMMA中的氧原子可与液态2D钙钛矿中间体发生路易斯酸-碱作用,形成单分子键合;在随后的沉积过程中,不需任何后处理,随着甲胺和乙腈的挥发,二维钙钛矿中间体自组装成三维钙钛矿晶粒,从而使PMMA单分子层包覆在钙钛矿晶界处,形成全方位的保护层。此新型复合钙钛矿薄膜在湿度为70%的空气中储存31天不发生任何分解,保留原有晶体结构;钙钛矿太阳能电池在湿度为50%~70%环境中工作50天后仍保留初始转换效率的91%。此外,PMMA氧原子的孤对电子可弥补钙钛矿晶界处的I空位的电荷损失,从而达到晶界陷阱钝化的效果,减小了钙钛矿晶体的非辐射复合。相比传统方法制备的钙钛矿太阳能电池,此电池的开路电压从0.97 V提高到1.14 V,光电转换效率从12.16%提升到16.32%。

该工作不同于传统利用钙钛矿前驱体溶液制备薄膜,而是利用钙钛矿晶体制备二维中间体,再对中间体进行修饰,通过其自组装过程制备薄膜,可以得到前驱体溶液制膜法无法达到的包覆效果。另外,此制备方法用相对毒性较小,易挥发的乙腈作为溶剂,采用一步沉积法,如挤压涂布、喷雾、旋涂等,无需任何后期处理可得到高质量稳定的钙钛矿薄膜,为高效、稳定钙钛矿太阳能电池的工业化生产提供了一个全新的方法。

该工作近期发表在Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201800052)上作为Front Cover报道。