Advanced Materials: 缓慢退火调控相分布实现效率超过17% 的二维钙钛矿太阳能电池

有机-无机杂化钙钛矿作为新型太阳能电池中的吸光层材料,由于其低成本,禁带宽度可调控,能量转化效率高等特点吸引着越来越多人的研究。近十年来,传统的三维钙钛矿太阳能电池发展迅速,效率从最初的3.81% 提高到如今的25.2%。然而三维钙钛矿的相对不稳定性阻碍了其实际应用。与三维钙钛矿相比,新兴的Ruddlesden-Popper(RP)相二维金属卤化物钙钛矿具有优异的材料稳定性,并因其光电性质的高度可调性和在光伏器件中良好的稳定性而备受关注。该材料的组成成分由分子式 (RNH3)2An-1MnX3n+1(n = 1,2,3,4 ……),其中RNH3作为间隔阳离子是离子半径较大的脂肪族族或芳香族烷基铵,A是一价有机阳离子,M是二价金属阳离子,X是卤素阴离子。在各种有机间隔阳离子中,基于丁胺(BA)的二维钙钛矿太阳能电池受到人们的最多关注,因为它具有合适的离子半径和优异分子柔韧性。然而,二维钙钛矿太阳电池中的电荷提取/传输和最终的能量转换效率仍然受到不可消除的量子阱效应的限制。

北京航空航天大学化学学院张渊课题组通过缓慢热推退火的 (SPA)的加工方法实现了对二维钙钛矿 (BA2MA3Pb4I13) 太阳能电池性能的提升。 他们提出了一种缓慢热退火 (SPA) 的方法,针对BA2MA3Pb4I13 二维钙钛矿太阳能电池,获得了高达1.24V的开路电压和17.26% 的最佳转关效率。通过光致发光(PL)、瞬态吸收(TA)光谱和表面分析研究表明,SPA改善了活性层中不同钙钛矿相的垂直排列,最终实现了有利于电池工作的能级排列。此外X-射线衍射谱(XRD和GIWAXS)的结果表明,经SPA处理后的二维钙钛矿的晶体取向度更高。通过SPA对结构性质和形貌的调控,二维钙钛矿中的载流子的迁移率和提取效率均得到提升,同时因缺陷态引起的电荷复合也得到了抑制。取得的电池转化效率(17.26%)是目前为止基于BA阳离子二维钙钛矿太阳能电池的最高值。未封装的SPA器件,在氮气氛围条件下储存2000小时候后,效率衰减仅<4.5%,展现出优异的稳定性。该调控方法为推动二维钙钛矿太阳能电池走向实际应用提供了一条行之有效的策略。