Advanced Materials:结构化的钙钛矿材料助力高效稳定的光伏器件

近年来,金属卤化钙钛矿材料在光伏器件领域发展迅速,取得了许多突破性的进展,但器件的效率和稳定性仍有进一步改善的空间。南开大学化学学院先进能源材料化学教育部重点实验室袁明鉴课题组总结了不同结构钙钛矿材料的特性,及其在光伏器件中的应用,提供了改善钙钛矿光伏器件性能和稳定性的新观点。

作者基于钙钛矿材料的结构特点,从三维(3D)、低维(Quasi-2D)和2D/3D钙钛矿三个方面,分别阐述了钙钛矿光伏器件的发展历程。

首先,作者以调节钙钛矿(ABX3)材料的吸光范围为线索,重点介绍了通过A位点阳离子工程,调控3D钙钛矿材料光学带隙而取得的一系列进展。根据肖克利-奎伊瑟(S-Q)极限曲线,具有更小带隙的钙钛矿材料,有机会实现更高效率的钙钛矿光伏器件。钙钛矿材料经历了单阳离子甲胺(MA)→混合阳离子(MA/铯(Cs)/甲脒(FA)) →富FA体系的转变。最终,α-FAPbI3因其拥有最小的带隙,被认为是最理想的钙钛矿材料。然而,在薄膜制备的过程中,难以避免的β-FAPbI3相的形成,制约着高效钙钛矿光伏器件的发展。而且,3D钙钛矿的环境稳定性也是制约其应用的重要因素,尽管研究者为此做出了许多创新性的工作,也取得了较大进展,但仍然难以满足其商业化的需要。

于是,以稳定性著称的Quasi-2D钙钛矿光伏器件应运而生。随后,作者探讨了Quasi-2D钙钛矿结构与光伏器件稳定性的关系,包括湿度稳定性,相稳定性和结构稳定性。而且,作者基于Quasi-2D结构独特的量子阱(<n>值)结构特点,以促进载流子传输为主线,详细总结了几种改善器件光伏性能的有效方法,包括调控垂直的钙钛矿晶体取向、形成梯度的空间相分布、获得<n>值集中的量子阱分布,以及降低钙钛矿的激子结合能。然而,与3D钙钛矿的性能相比,Quasi-2D仍有较大的发展空间。如何利用低维钙钛矿卓越的稳定性特点,进一步提高器件的光伏性能,则成为了研究者关注的一项新课题。

基于3D钙钛矿器件的高效率特点和2D钙钛矿的稳定性优势,两者的有机结合被认为是钙钛矿光伏器件发展的新思路。作者从2D与3D钙钛矿晶体在薄膜中的空间位置及其相互影响入手,揭示了2D钙钛矿对促进3D钙钛矿晶体生长、改善载流子传输,以及增强稳定性方面的影响。尤其是,2D钙钛矿与α-FAPbI3钙钛矿的结合,为实现高效且稳定的光伏器件注入了新的动力。

最后,作者针对3D、Quasi-2D和2D/3D钙钛矿光伏器件的各自的发展现状,从钙钛矿材料设计、薄膜制备工艺、器件运行机理分析等方面,提出了一些新的思路和见解。文章通过对钙钛矿领域的系统总结和建设性展望,为钙钛矿光伏器件的进一步研究工作提供了参考与借鉴。

相关综述发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201903937)上,题为“Structured Perovskite Light Absorbers for Efficient and Stable Photovoltaics”。