微接触印刷构筑图案化润湿表面建立钙钛矿“竞争生长”机制

杂化钙钛矿太阳能电池凭借着出色的光电转换效率引起了能源科学家的广泛关注,自2009年来其光电转化性能取得突飞猛进的发展,尽管最高光电转换效率已突破24.2%。但是由于钙钛矿薄膜中的缺陷以及由众多小晶粒的晶界导致的大量复合位点,使得钙钛矿光电转换器件效率仍远未到达其理论计算效率31%。

最近,中科院化学研究所绿色印刷实验室宋延林研究员课题组的研究人员受到自然界中植物为了获得更多养分和充足阳光通过竞争生长机制形成合理的空间尺寸与密度的启发,利用微接触印刷的方法以CD光盘作为模板,在钙钛矿基底上构筑图案化的亲疏水区域,该图案化区域在钙钛矿结晶生长过程中建立了“竞争生长”机制,从而获得晶粒尺寸大而致密的钙钛矿薄膜,最终使光电转换器件效率得到显著提高。

宋延林研究员团队首次通过微接触印刷构筑图案化润湿表面将自然界植物中普遍存在的“竞争生长”机制引入到钙钛矿结晶生长过程。作者利用氨基硅烷作为疏水材料以CD光盘作为模板,微接触印刷在基底上构筑图案化的亲疏水区域。疏水区域表面修饰的氨基硅烷保证基底的疏水性,且由于氨基与铅的作用使得钙钛矿能够均匀覆盖,并且同时钙钛矿前驱液在图案化的基材上呈现出明显的各向异性浸润行为。在图案化亲疏水表面,钙钛矿前驱液更易于在亲水区域富集,钙钛矿在该区域快速成核生长;而疏水区域的钙钛矿生长速度较慢,因而钙钛矿薄膜在退火过程中出现明暗条纹的变化,随后受到生长空间的限制, 钙钛矿晶体生长逐步向疏水区域扩展,实现了钙钛矿晶粒的竞争生长,最终获得了晶粒尺寸大、缺陷少的钙钛矿薄膜。基于微接触印刷构筑图案化润湿表面实现竞争生长的钙钛矿光电转换器件,最优光电转换器件效率达到20.08%,较参照样品(16.76%)提高了19.8%,并具有低 J-V 滞后和较高的稳定性。

研究者相信,学习和利用自然界的竞争生长机制有利于实现晶粒尺寸大、尺寸分布合理且缺陷少的钙钛矿薄膜的制备,为高效的钙钛矿光电检测器和光伏器件制备提供了新的研究方法和稳定的制备过程。

相关论文“Patterned Wettability Surface for Competition‐Driving Large‐Grained Perovskite Solar Cells”以Inside Cover形式在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201900838)上。该文的第一作者为中国科学院化学研究所助理研究员汪洋,通讯作者为中国科学院化学研究所宋延林研究员与李明珠研究员。