Small Methods:改善钙钛矿太阳能电池相稳定性的研究进展

近年来,杂化钙钛矿材料因其高的光吸收系数、较长的载流子迁移距离、双极性电荷传输性能、可溶液加工和低廉的材料价格等特点引起了学术界和产业界的广泛关注。经过近十年的发展,基于此类钙钛矿材料的单结太阳能电池的光电转换效率从最初的3.8%蹿升至目前25.2%的认证效率。钙钛矿太阳能电池的商业化需要热力学稳定的吸光材料,能够承受各种热应力测试,包括自然昼夜循环和不同季节/环境下的完全阳光照射。甲铵基钙钛矿(CH3NH3PbI3,MAPbI3)材料中的有机部分不能承受高温,因此对运行中的器件来说面临一个长期的稳定性问题。与传统的MAPbI3相比,甲脒基钙钛矿(CH(NH2)2PbI3, FAPbI3)和铯基碘化铅(CsPbI3)由于其出色的热稳定性而引起更多关注。对于FAPbI3而言,由于其更合适的带隙及载流子传输行为,它可以提供更好的光电性能。对于CsPbI3而言,光学带隙为1.73 eV,可以用作与晶硅或低带隙钙钛矿匹配的叠层电池中顶部电池的理想材料。这些优点使FAPbI3和CsPbI3钙钛矿太阳能电池备受关注。然而,一般来说,具有优异光学活性的黑相α相FAPbI3或α相CsPbI3,在潮湿的环境中会自发转变为非光学活性的黄相(δ)。因而,解决基于FAPbI3和CsPbI3钙钛矿的相稳定性被视为实现钙钛矿太阳能电池商业化的最重要目标之一。

近年来,科研工作者为改善FAPbI3和CsPbI3的相稳定性做出了许多努力,并且已经取得显著的进展。通过对近几年相关重要工作的分析,北京大学工学院周欢萍团队从结构化学的角度出发,总结了关于相稳定性的重要研究进展,重点讨论相不稳定的根源、提高相稳定的策略以及相偏析等问题。在解决基于FAPbI3和CsPbI3的钙钛矿相不稳定性之前,首先探究了相不稳定性的根源。钙钛矿的结构稳定性使用Goldschmidt容差因子(t)评估。当容差因子t值为0.8-0.9时,钙钛矿结构会发生扭曲,形成倾斜的八面体。当容差因子较高(> 1)或较低(< 0.8)时,形成非钙钛矿结构。通常,钙钛矿材料的容差因子在0.9 ~ 1.0之间具有理想的立方结构。调整容差因子至理想区(0.9 ~ 1.0)的常见手段有ABX3位点的合金化,前驱体调控和维度工程。对FAPbI3而言,由于FA+的离子大小较大(约253 pm),FAPbI3的容差因子略大于1。因此,本文从两个方面对稳定黑相FAPbI3的研究进展进行总结,即降低容差因子和增强相变(黑相到黄相)的活化能垒。对CsPbI3而言,由于Cs +阳离子(181 pm)很小从而导致CsPbI3的容差因子太低(~0.8),无法稳定钙钛矿结构。本文从三个方面对稳定黑相CsPbI3的研究进展进行综述,即容差因子的增大,增强相变(黑相到黄相)的活化能垒以及改变表面能。此外,综述还讨论了相偏析的起源,并就相偏析对钙钛矿太阳能电池光电性能的影响进行详细分析。特别是,综述重点介绍了迄今为止已开发出的几种方法来抑制混合阳离子/阴离子钙钛矿薄膜中的相偏析的手段。总之,该综述总结了改善钙钛矿相稳定性的最新进展,为制造高效、高稳定的钙钛矿太阳能电池提供了一些指导。作者希望可以开发出相稳定的基于FAPbI3、CsPbI3钙钛矿材料或其它类似材料,以促进其在光电器件中的应用。

该论文的第一作者是周欢萍课题组博士后邱智文。周欢萍特聘研究员为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京市自然科学基金、先进电池材料理论与技术北京市重点实验室、北京大学高精尖中心等联合资助。

相关文章在线发表在Small Methods (DOI:10.1002/smtd.201900877)。