Advanced Energy Materials:可印刷介观钙钛矿太阳能电池中的结晶调控

钙钛矿太阳能电池作为太阳能电池领域的新星,在最近十几年受到广泛的关注。控制有机-无机杂化钙钛矿的结晶对于获得高性能钙钛矿太阳能电池至关重要。钙钛矿的生长机理已经在具有平面结构和传统结构的器件中进行了深入的研究。在众多不同结构的钙钛矿太阳能电池中,基于三层介孔厚膜结构的可印刷介观钙钛矿太阳能电池以其优越的稳定性和容易大规模生产的特性,引起了研究人员的广泛关注。然而,由于介孔结构的复杂性,人们对钙钛矿在介孔结构中的结晶过程和如何控制钙钛矿材料在介孔中实现良好的结晶仍然缺乏了解。来自华中科技大学武汉光电国家研究中心的研究团队对此问题进行了细致而深入的研究,显著的改善了钙钛矿材料在介孔中的结晶状况,并在三元阳离子钙钛矿中取得了16.26%的稳态输出光电转化效率。相关工作发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201903092)上,第一作者为博士生王启飞和张文豪,通讯作者为胡玥副教授。

根据实验结果显示,在基于三层介孔膜结构的的可印刷介观钙钛矿太阳能电池器件中,快速的结晶过程会导致钙钛矿材料在介孔结构中形成大量分散的小晶粒,不仅会降低器件的吸光率,也会导致钙钛矿与对电极和二氧化钛材料的界面接触变差,器件的整体性能不高。为了实现钙钛矿在介孔结构中良好的结晶,该团队设计了一种溶剂挥发速率可控的器件退火方案(SECC),通过限制溶剂挥发的速率来降低钙钛矿在介孔结构中的结晶速率,从而使得钙钛矿材料Cs0.1Rb0.05FA0.85PbI3在介孔结构中实现了高的结晶度和更好的填充效果。进一步的实验结果显示,在慢速结晶的过程中,钙钛矿通过奥斯瓦尔德熟化实现大晶粒的生长并逐步延伸至整个介孔结构中。通过截取不同结晶时间的器件影像,该团队直接观察到了随着结晶时间的增加,钙钛矿在介孔结构中的覆盖面逐渐增大的现象,对应的XRD数据则更进一步的反映了,随着退火时间的延长,钙钛矿在介孔中的结晶度更高,其取向性也更强。这一发现将对可印刷借光钙钛矿太阳能电池中钙钛矿的结晶提供更深刻的理解,有望应用于大面积器件的制备和多种钙钛矿材料在介孔结构中结晶过程的调节。