Small Methods:功能化碳纳米管与MACl协同调控混合阳离子钙钛矿结晶,贡献高性能钙钛矿光伏

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池凭借低廉的成本、快速上升的光电转换效率等优点迅速成为光伏领域的研究热点。一直以来,获得高质量的钙钛矿薄膜都是组装高性能钙钛矿电池的关键。然而,由于当前广泛采用的多晶钙钛矿薄膜的高密度的晶界导致钙钛矿薄膜中存在大量的缺陷,这些缺陷引起电荷的非辐射复合,也会显著地影响电荷传输、从而降低电池效率和稳定性。相比于多晶钙钛矿薄膜,单晶钙钛矿薄膜其缺陷态密度得到了严格控制,理论上适宜用于制备高性能光伏器件。目前单晶钙钛矿由于各方面的限制,其电池效率仍然较低。因此开发具有单晶钙钛矿性质的多晶钙钛矿薄膜是实现高性能钙钛矿的重要思路。

近日,上海交通大学赵一新教授团队通过向前驱体中引入高度稳定的功能化的碳纳米管和MACl添加剂来调控有机-无机杂化钙钛矿的结晶过程,成功得到由类似准单晶晶粒组成的高质量多晶钙钛薄膜。相比于单一MACl添加剂,功能化的碳纳米管和MACl添加剂的协同作用将会调控整个钙钛矿薄膜的形核和生长过程,进而改变钙钛矿晶粒的结晶性、晶体取向以及晶粒大小。赵一新团队和武汉理工大学王涛团队合作基于GIWAXS测试结果发现,功能化的碳纳米管和MACl添加剂的协同作用会使得这些形核后的钙钛矿晶粒沿着(110)晶面择优取向生长,从而使得所制备的钙钛矿薄膜具有强烈的单一晶面取向。基于功能化的碳纳米管和MACl添加剂对整个结晶过程的调控,最终获得的钙钛矿薄膜不仅具有高度结晶性、单一的(110)晶面取向,同时还拥有更大的钙钛矿晶粒。同时,这些参与完对结晶过程调控后的功能化碳纳米管将会均匀分布在钙钛矿层形成电荷传输网络促进电荷传输、减少缺陷带来的非辐射复合。瞬态荧光、瞬态光电流、光电压测试结果都同时证明了,通过功能化的碳纳米管和MACl协同调控结晶过程制备的钙钛矿薄膜,其电荷收集效率以及缺陷引起的电荷非辐射复合都得到了大幅度改善。最终,基于高质量MA0.85FA0.15PbI3的平面型钙钛矿电池不仅获得了21.05%的光电转换效率同时也表现出良好的稳定性。

上述相关研究论文“Highly Efficient (110) Orientated FA‐MA Mixed Cation Perovskite Solar Cells via Functionalized Carbon Nanotube and Methylammonium Chloride Additive” (DOI: 10.1002/smtd.201900511)已发表在Small Methods 上。该论文第一作者为该组的博士后王勇,通讯作者是赵一新教授。