Solar RRL: 用有机染料进行缺陷钝化提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性

有机-无机卤素钙钛矿具有优异的光电性能(例如较高的吸收系数、可调节的带隙和长的载流子扩散长度)受到了全世界的关注,因此在光伏领域具有重大前景。如今,通过使用一系列调节方法(包括优化组分,形貌和界面工程),单结钙钛矿太阳能电池(PSC)认证的效率(PCE)已超过25%,可以与单晶硅太阳能电池媲美(26%)。

高质量的钙钛矿薄膜对于获得高效,稳定的PSC至关重要。 钙钛矿薄膜通常是在低温下通过前驱体溶液沉积而制成的。因此,不可避免地是多晶:在表面,沿晶界甚至在大晶粒内部都具有大量缺陷,如未配位离子和悬挂键。这些缺陷可以充当电荷复合中心,导致能量损失,从而限制了器件性能。此外,这些缺陷对光和热敏感(活化能低),并且还可以引发水的渗透 ,大大降低了器件的运行稳定性。为了解决这些问题以获得用于高性能PSC的高质量钙钛矿薄膜,添加剂被引入到钙钛矿前驱体中,以调节膜的生长动力学并钝化缺陷。添加剂的选择范围包括有机小分子、无机盐、长链聚合物、离子液体等。 已经证明,晶界处的卤化物空位,未配位的Pb2+和Pb-I反位缺陷可以通过氢键和与添加剂的配位相互作用而钝化。 因此可以实现相应PSC器件效率和稳定性的显着提高。此外,长链聚合物可以使钙钛矿晶界交联,从而提高了PSC器件的机械稳定性和耐用性。几千年来用于给纺织品上色的有机染料因其低成本、优异的光化学性能、较高的环境稳定性、较高的电荷迁移率和易于化学修饰而在现代的电子领域得到复兴。除了优异的迁移率和稳定性外,有机染料还可以提供氢键位点,使其成为通过氢键钝化钙钛矿膜缺陷的理想选择。 此外,有机染料的光学带隙可以促进额外的光捕获以及随后的能量转移到钙钛矿膜上。 因此,有机染料作为添加剂用于钙钛矿器件具有十分重要的前景。

华东师范大学的保秦烨教授课题组提出一种简单且低成本的有机染料作为钝化缺陷的添加剂,以实现具有低量子阱密度的高质量CH3NH3PbI3(MAPbI3)膜。所采用的有机染料是5-氯化芥(Isatin-Cl),并系统研究了Isatin-Cl对钙钛矿薄膜的结晶,表面电子结构,陷阱态,迁移率,电荷动力学和稳定性的影响。研究结果清楚地表明,Isatin-Cl不仅可以有效地钝化未配位的Pb2+缺陷,而且还可以产生更n型的钙钛矿薄膜。与对照PSC相比,Isatin-Cl修饰的PSC的效率从18.13%提高到20.18%,Voc、Jsc和FF也有显着改善。此外,在晶界中以及通过与钙钛矿的氢键结合而附着在膜的上表面上的疏水性Isatin-Cl,对PSC湿度和热稳定性的提高也有正作用。相关工作已经在线发表在Solar RRL上(DOI: 10.1002/solr.201900529)。