Small Methods: 前驱体溶液老化对钙钛矿太阳能电池光电性能的影响

作为一种快速发展的清洁能源,光伏发电技术得到了人们的广泛关注。钙钛矿作为一种新型光伏材料,其太阳能电池的光电转换效率近年来有了很大的提升。但目前在制备工艺上仍缺乏相应的标准,其性能可重复性成为商业化生产的障碍。其中一个重要问题就是前驱体溶液中各组分的配比,而这会对太阳能电池光伏性能产生很大影响。之前研究发现前驱体溶液中存在的(PbnIm)+2n−m离子与极性非质子溶剂的相互作用被认为参与了MAPbI3 的中间相和最终的成膜。另外也有报道发现前驱体溶液的老化对钙钛矿形貌和光伏性能有着显著作用。这些表观的现象是如何影响到钙钛矿成膜,进而影响其光伏性能,成为钙钛矿太阳能电池制备中迫切需要回答的问题。

近日,韩国成均馆大学的Nam-Gyu Park教授科研团队报道了钙钛矿前驱体溶液老化温度和时间,组分配比对光伏性能的影响。更进一步地,他们揭示了改变这些制备条件影响其性能的内在机制,并指出前驱体溶液中的 (PbnIm)+2n−m离子在里面起到了重要作用。他们首先配制了MAI/PbI2 溶液 ,并分别在 4 °C,25°C和 65°C 放置不同时间。随后比较由其制备的太阳能电池短路光电流密度,开路电压,填充因子和光电转换效率(PCE)。实验发现溶液老化后PCE在不同温度下都得到提高,例如在4 °C下PCE由16.48% 提升到17.29%. 另外,老化时间随着温度升高而减小。光谱分析表明在按化学计量比配制溶液中PbI2S4(S为溶剂分子)含量先增加后降低,其变化趋势与PCE一致,而由其制备的钙钛矿在PbI2S4含量最高时也表现为更好的成膜质量和荧光效率。随后他们在非化学计量比 (PbI2或MAI过量5%) 的钙钛矿溶液中做同样的条件测试却没有发现溶液的老化现象。 同样的光谱分析表明PbI2S4始终存在,随放置时间变化并不明显。其原因在于非化学计量的前驱体溶液中过量的PbI2或MAI都会加速PbI2S4的产生,从而抑制了溶液的老化效应。这一发现揭示了钙钛矿前驱体溶液老化中PbI2S4参与钙钛矿结晶的中间过程,以及不同制备方法对器件性能的影响,从而为钙钛矿太阳能电池光伏性能的进一步提高和标准化生产提供指导。

相关论文以“A Correlation between Iodoplumbate and Photovoltaic Performance of Perovskite Solar Cells Observed by Precursor Solution Aging”为题在线发表在Small Methods上(DOI: 10.1002/smtd.201900398)。