Solar RRL:氟代芳香胺协助平面钙钛矿太阳能电池实现高电压和高稳定性

近年来,新兴的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池发展突飞猛进,在短短十年里其光电转化效率从3.8%迅速发展到目前25.2%的认证效率,被视为最具有应用潜力的新型高效率太阳能电池之一。虽然钙钛矿太阳能电池具有很高的光电转换效率已与多晶硅薄膜电池相媲美,但是电池的长期稳定性远未达到商业化的要求。此外,虽然利用低温溶液法可以便利地制备钙钛矿薄膜,但所制备的薄膜通常是多晶的极易在晶界或表面产生针孔和缺陷,导致额外的非辐射复合能量损失,降低了器件的开路电压和整体性能。

中科院福建物质结构研究所高鹏课题组针对钙钛矿太阳能电池表面缺陷和水分侵蚀所导致的稳定性问题,提出在钙钛矿表面引入疏水型大体积阳离子策略全面提高钙钛矿太阳电池稳定性和开路电压。在前期工作中,高鹏研究团队使用了三氟乙胺改性MAPbI3,探索效率与稳定性同步提高的条件,从方法上验证了使用氟代芳香胺在不影响器件效率的前提下提高稳定性的可能(Adv. Mater. 2016, 28, 2910)。而后又提出了使用含氟芳香阳离子处理三维钙钛矿表面,在三维钙钛矿顶部原位生长一层超薄的二维钙钛矿涂覆层,所形成的3D-2D叠层钙钛矿同时结合了二维钙钛矿的高稳定性和三维钙钛矿的高性能,从而实现所制备的完整电池效率和稳定性的双提升(Adv. Energy Mater. 2019,9,1802595)。提出了采用具有大体积的1-萘甲胺碘(NMAI)来钝化钙钛矿表界面(Adv. Energy Mater. 2020,10,2000197)。使用NMAI的异丙醇(IPA)溶液,后处理3D钙钛矿薄膜,NMAI层的多重钝化效应,使得所制备的钙钛矿太阳能电池器件表现出较高的电致发光效率,有力地表明了钙钛矿和空穴传输层界面的非辐射复合大大减少,最终器件的开路电压最高达到1.20 V。

近日,中科院福建物质结构研究所高鹏课题组又系统地研究了在芳香环上不同位置单氟原子取代对基于2D-3D混合钙钛矿的最终器件性能及稳定性的微妙影响。研究发现,疏水型的邻氟、间氟、对氟苯乙胺不仅可以有效地阻挡水分子的入侵,同时还可以钝化钙钛矿表面缺陷有效地促进了空穴向HTM层传输,从而抑制perovskite/HTM界面间的非辐射复合。最终基于碘化邻氟、间氟、对氟苯乙胺处理的器件均表现出良好的空气稳定性和提升的器件性能。在本工作推进的同时,北卡罗来纳大学 You Wei团队研究发现苯乙胺芳香环上氟原子取代位置不同会导致相应的二维钙钛矿形成能有差异,理论计算结果显示,相应的2D钙钛矿形成能pFPEAI < mFPEAI < oFPEAI (Nat. Commun. 2019, 10, 1276)。由于较高的形成能,作者将oFPEAI/IPA溶液后处理3D钙钛矿薄膜时,能够提供最佳的钝化效果。从最终器件性能上比较,pFPEAI < mFPEAI < oFPEAI 处理的,此外,作者还发现基于碘化邻氟苯乙胺处理的器件,在一个标准太阳光照射下,开路电压最高可以达到1.21 V。从最终器件稳定性上比较,pFPEAI > mFPEAI > oFPEAI 处理的,其中基于pFPEAI处理的未封装器件在相对湿度为30%的环境下保存60天仍有99%的效率。这些数据充分表明氟化芳香族阳离子的分子结构在钝化钙钛矿器件的界面中起着多重作用。 该研究为铵盐的处理和设计提供了新的思路,并为进一步提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和效率提供指导。相关工作发表在国际期刊Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.202000107)上。