Advanced Materials:梯度2D/3D钙钛矿异质结构助力高效稳定无甲胺钙钛矿太阳能电池

如今,钙钛矿太阳能电池的光电转化效率迅速增长,具有广泛的应用前景。在诸多钙钛矿体系中,混合阳离子(MA/FA/Cs)钙钛矿电池因其拥有较好的效率,稳定性和结晶形貌而受到广泛研究。然而,当使用易挥发和不稳定的MA离子时,器件的热稳定性会受到影响。因此发展无甲胺的钙钛矿电池就显得尤为重要。

近年来,无甲胺的碘化铅甲脒(FAPbI3)的钙钛矿因其拥有合适的禁带宽度,较宽的光谱响应和出色的热稳定性,有望用于制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池。然而,由于较大的FA离子半径,室温下倾向于形成不具有光学活性的δ-FAPbI3相。为了解决这一问题,人们将部分FA用半径更小的Cs离子替代,通过将配合物的容限系数调整到适当的范围来提高α-FAPbI3的相稳定性。

除此之外,还有采用2D/3D钙钛矿异质结构来钝化缺陷修饰钙钛矿薄膜以进一步提高FA基钙钛矿器件性能。例如phenylethylammonium iodide,n-butylammonium,N-(3-aminopropyl)-2-pyrrolidinone和5-ammoniumvaleric acid iodide的使用。因此,使用小分子添加剂来改善钙钛矿薄膜结构性能是一种行之有效的办法。

华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室薛启帆副研究员和叶轩立教授团队分别对比了5-AVAI,GAI和β-GUA三种小分子添加剂对FA0.95Cs0.05PbI3钙钛矿薄膜形貌和器件性能的影响。作者希望β-GUA中额外增加的氮原子数量能够起到两个作用:首先,利用氮原子上的孤对电子提供更好的表面深能级缺陷钝化能力;其次,β-GUA分子间作用更容易强氢键,提高2D有机-无机钙钛矿层状结构的稳定性。作者发现结合了GAI和5-AVAI分子结构特点的β-GUA能通过形成理想的2D/3D钙钛矿异质结结构修饰薄膜表面形貌,提高器件的工作稳定性和光电转化效率(PCE=22.2%)。 结构表征显示加入β-GUA后形成的2D/3D相被包含在3D钙钛矿相间并与呈face-on方向排列且主要为n=1的2D钙钛矿相的晶格紧密相连。2D/3D混合相嵌入在3D钙钛矿的晶界处,并分布在薄膜厚度的一半。而β-GUA分子上的氨基和羰基能作为Lewis碱与钙钛矿中的不饱和铅离子配位,这为2D钙钛矿相的形成和材料中的缺陷钝化提供了基本依据。进一步测试表明相比于参考器件中0.176 V的电压损失,基于β-GUA器件损失仅有0.14 V。且随着β-GUA的增加,电压损失持续下降,这一趋势与Voc的提高相吻合,表明器件Voc的提升是来源于钙钛矿薄膜内部载流子非辐射复合趋势减小带来的能量损失降低。同时,2D/3D异质结构抑制了FA0.95Cs0.05PbI3钙钛矿从α相到δ相的转变,提高了器件的稳定性。400h的最大功率点追踪(MPP-tracking)后依然维持初始效率的88%,对应5-AVAI,GAI和参比器件效率分别下降到了原来的62%,36%和10%。相关工作发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.202000571)上。