Advanced Materials:有机铵盐辅助成膜策略助力高性能甲脒基准二维钙钛矿太阳能电池

金属卤化物钙钛矿具有较低的制造成本和优异的光伏性能,已经显示出巨大的应用前景。只经过十年时间,钙钛矿太阳能电池的能量转换效率就已经从最初的3.8%提高到25%以上,可与商业化的晶硅太阳能电池相媲美。但是,三维钙钛矿材料及光伏器件相对较差的稳定性(水、氧等不稳定性)极大的阻碍了其商业化应用进程。与三维钙钛矿相比,二维钙钛矿材料具有较好的环境稳定性,但相应器件的光伏性能仍然远低于目前最好的三维钙钛矿器件。发展高效稳定的二维钙钛矿太阳能电池,是推动钙钛矿太阳能电池商业化应用的一种重要途径。

南开大学刘永胜课题组发展了一种有机铵盐辅助的甲脒基准二维Ruddlesden–Popper型钙钛矿晶体取向与薄膜生长技术,获得了高质量的钙钛矿薄膜,有效降低了钙钛矿薄膜的缺陷态密度,提高了电荷迁移率和载流子寿命,实现了低n值(n<6)准二维钙钛矿太阳能电池超过19%的光伏效率突破,并且钙钛矿薄膜和器件均表现出优异的环境稳定性和热稳定性。相关成果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202001470)上。

二维钙钛矿材料具有多量子阱结构和优异的环境稳定性,已经成为目前钙钛矿材料及器件研究的热点。刘永胜等在前期发展的以2-噻吩甲胺氢碘酸盐(ThMAI)为A位阳离子,甲铵(MA)为B位阳离子的二维钙钛矿材料已经显示出优异的光伏性能(J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 11639)。与甲胺基三维钙钛矿相比,甲脒基三维钙钛矿具有更低的带隙和更高的热稳定性。通过将二维钙钛矿材料中的甲胺基用甲脒基取代,有望降低二维钙钛矿的带隙,进一步提高光电流。基于此,刘永胜课题组成功制备了以2-噻吩甲铵为间隔离子的甲脒基准二维钙钛矿(ThMA)2(FA)n-1PbnI3n+1(n = 5,化学计量比),同时发展了有机盐辅助的二维钙钛矿晶体取向与薄膜生长技术(OACG),获得了高质量的准二维钙钛矿薄膜。具体方法为,将三氟甲基苯甲胺氢碘酸盐(tFM-PMAI)的异丙醇溶液作为反相溶剂对低n值甲脒基准二维钙钛矿薄膜进行处理,利用tFM-PMAI和异丙醇的协同作用,调控钙钛矿薄膜的结晶生长过程。相关测试结果表明,经OACG方法处理的准二维钙钛矿薄膜中,晶体优先垂直于基底生长,有利于电荷的传输和收集;同时,由于薄膜质量的改善,准二维钙钛矿薄膜中的非辐射复合大幅减少,载流子迁移率和寿命明显增加,钙钛矿薄膜的疏水性也得到了明显提高。研究发现,这一薄膜处理方法制备的薄膜可以有效提高其光伏器件的开路电压。与参比器件相比,目标器件开路电压从0.964 V提高到了1.075V。通过器件优化,实现了低n值(n<6)准二维钙钛矿太阳能电池超过19%的光伏效率突破,并且钙钛矿薄膜和器件均表现出优异的环境稳定性和热稳定性。例如,在80℃条件下放置576 h后,OACG方法处理的准二维钙钛矿器件的效率仍能保持最初效率的96%,而相应的三维钙钛矿器件衰减到最初效率的37%。该方法为进一步提升准二维钙钛矿太阳能电池的能量转换效率和器件稳定性提供了新的思路。

论文第一作者是来洪涛博士,相关工作得到国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助。