Small:“一石三鸟”—多功能添加剂助力实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池

21世纪人类面临的重大难题之一是能源问题,人类赖以生存的煤、石油、天然气等不可再生资源已经日渐枯竭,寻找新的能源也成为了相关科研工作者的奋斗目标。太阳能作为一种干净无污染的可再生能源,具有其他燃料能源无可比拟的优点,太阳能电池作为将太阳能转化成电能的光伏器件得到最为广泛的研究。近年来,基于有机无机杂化金属卤化物钙钛矿材料(ABX3型)的太阳能电池因其优异的光电性能、简单的器件制备工艺(可溶液加工)、低廉的材料成本以及较高的光电转换效率等优点一跃成为了新一代光伏器件中最具有发展潜力及应用前景的佼佼者,短短数年之间,效率已经从2009年首次报道的3.8%提高到了25.2%的光电转换效率。尽管近年来钙钛矿太阳能电池(PSCs)的效率不断取得了突破,但其存在的电压电流滞回效应和器件的长期稳定性等问题严重制约了其进一步发展。 如何在保证高效率的前提下,抑制滞回效应,并提高器件的长期稳定性是目前急需攻破的关键科学问题。最近,研究发现,调控晶体生长、钝化缺陷和抑制离子迁移可以有效地解决上述问题。添加剂工程作为一种简单而有效的策略,被广泛应用于制备高效稳定的PSCs中。然而,目前已报道的添加剂往往只具有单功能作用,即调控晶体生长或钝化缺陷态。因此,有必要寻找一种同时具备调控晶体生长、钝化缺陷和抑制离子迁移的多功能添加剂来提高PSCs的效率和稳定性,以满足其商业化的需求。

有鉴于此,电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室王宁课题组与清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室林红课题组合作将低成本的N型无机半导体材料羟基氧化铁量子点(FeOOH QDs)添加到钙钛矿吸光层体内,实现了调控晶体生长、钝化缺陷和抑制离子迁移的多种功能,从而制备出高效稳定的钙钛矿太阳能电池。在这项工作中,研究者将FeOOH QDs引入钙钛矿前驱体溶液中进行旋涂,得到了大晶粒尺寸、致密和低缺陷的钙钛矿薄膜。研究发现,FeOOH QDs上的氧原子带有孤对电子,可以作为路易斯碱和未协调的路易斯酸铅离子(Pb2+)配位;FeOOH QDs上的-OH可以和甲胺(MA)的氢原子形成氢键;FeOOH QDs上的铁原子可以作为路易斯酸和路易斯碱碘离子(I)反应。同时上述提出的三种反应机制通过DFT和XPS等表征技术得到了证实。结果表明,基于FeOOH QDs的器件可以实现约20%的光电转化效率,且滞回可忽略不计。此外,更为重要的是,其湿度稳定性、热稳定性和操作稳定性得到大幅度提高。研究者相信,该工作为设计多功能添加剂提供了一种潜在的策略,并为制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池提供了一种新思路。相关论文以“Goethite Quantum Dots as Multifunctional Additives for Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells”为题,在线发表在国际高水平期刊Small (DOI: 10.1002/smll.201904372)上。