Small Methods: A位引入芳香族二胺分子提高钙钛矿太阳能电池效率及稳定性

充分利用太阳能是解决目前人类面临的能源短缺和环境污染等问题的根本途径,太阳能电池是太阳能利用的最佳途径。近年来,一种基于有机-无机杂化钙钛矿材料的太阳能电池成为广泛的研究热点,目前获得的最高的光电转换效率已达23.3%。尽管钙钛矿太阳能电池已经取得可以与商业化太阳能电池相媲美的效率,但其材料及器件稳定性的问题仍然亟待解决。

钙钛矿材料具有ABX3型的结构,为了提高稳定性,目前对于B位金属阳离子以及X位卤素离子的组分调控工作已经有较多报道。然而,A位阳离子,如甲胺(CH3NH3+ ,MA+),具有较高的反应活性和挥发性,是导致钙钛矿材料稳定性较差的原因之一,对于A位阳离子的调控改善稳定性的相关报道相对较少。

韩国首尔国立大学Byungwoo Park课题组通过向钙钛矿材料MAPbI3中引入部分咪唑(C3H4N2)分子取代MA的方法,得到了更加稳定的一种(C3H5N2)x(CH3NH3)1-xPbI3结构的钙钛矿材料。实验结果表明,当x=0.025时,器件性能可达最优,最高性能的电池反扫效率可达20.2%;同时暗态下,55%湿度时,未封装的电池30天后可保持大于80%的原始效率,而对照的纯碘铅甲胺器件效率为初始值的60%;另外,作者用同样材料制作的2cm2的大面积器件效率可达16.8%。作者将器件性能,尤其是稳定性提升的原因解释为咪唑分子的芳香性。咪唑分子的离域π电子的存在,以及杂环上的两个N原子形成的氢键,共同降低了钙钛矿材料对周围物质的敏感性和反应性,从而提升了器件的稳定性。

作者实验采用的器件结构为介孔结构,具体为Glass/FTO/bl-TiO2/meso-TiO2/perovskite/Spiro-OMeTAD/Au;而获得最优20.2%器件的结构为平面结构,具体为Glass/ITO/SnO2/perovskite/Spiro-OMeTAD/Au。

该工作对于如何进一步提升钙钛矿太阳能电池的光电转换效率,同时提高其稳定性从而推动其商业化进程提供了新的思路。