Advanced Electronic Materials: 利用有机溶剂冲洗工艺来改善钙钛矿太阳能电池的性能

多晶钙钛矿薄膜的晶界处往往存在不稳定的离子态,从而导致钙钛矿薄膜的表面存在大量的缺陷,这是限制钙钛矿太阳能电池的光电转换效率的主要原因之一。为了提升钙钛矿太阳能电池的光电转化效率,人们不断寻求钙钛矿薄膜的制备工艺的改善。改进钙钛矿薄膜的结晶规整度、结晶晶粒大小、以及优化表面钝化层,成为降低缺陷密度,提高钙钛矿表面电荷提取能力的关键性技术。

近年来,在钙钛矿薄膜表面实施的反溶剂冲洗工艺已经成为钙钛矿薄膜制备中调控结晶度的有效手段之一。然而,反溶剂冲洗工艺虽然可以提升结晶度,但其引入的大量晶核,以及随后结晶动力学控制导致晶粒减小,这反而增加了晶界面积,成为钙钛矿制备工艺中的一对矛盾之举。

北京交通大学理学院光电子技术研究所的何志群、梁春军团队,特别是宋奇研究生,为解决上述问题,独辟蹊径,尝试在传统的钙钛矿薄膜制备过程中,增加一步有机溶剂冲洗工艺。该工艺可以通过额外的溶剂冲洗,部分去除一步法制备钙钛矿薄膜的表面缺陷,降低晶核密度,调控结晶动力学以便结晶颗粒得以长大。研究发现,为防止钙钛矿薄膜被过度溶损,在有机溶剂冲洗之前,需将钙钛矿前驱体薄膜进行短时低温退火处理,以稳定钙钛矿转化过程中间相的结构。该过程的机理大致如下:所增加的有机溶剂冲洗工艺,使得钙钛矿中间相在生长过程中出现了溶解及重结晶过程,降低了晶核密度、减少了表面缺陷,晶粒的尺寸获得了有效的调控。由于冲洗溶剂的选择性,不仅能调控了钙钛矿薄膜的晶粒大小,且可控制钙钛矿薄膜表面碘化铅残留量,从而所制备的钙钛矿薄膜可以更好地钝化。

经该工艺制备出的钙钛矿太阳能电池,相比传统工艺制备的钙钛矿太阳能电池的光伏性能得到了显著的提升。这一发现对今后制备高性能的钙钛矿光伏器件提供了一种独特的思路。相关研究结果发表在Advanced Electronic Materials(DOI: 10.1002/aelm.201900244)上,并将于当期Inside Back Cover展示。北京交通大学宋奇研究生为该文章的第一作者。