Advanced Materials:超纳液态金属:液相激光制备与钙钛矿太阳能电池应用

微纳米尺度的液态金属以镓基液态金属为例,其具有无毒,粘度低,流动性好以及电导率高等优势,已在生物成像,药物输送等应用中成为有前景的候选材料。尽管近年来对液态金属纳米颗粒在柔性电子、光催化和纳米医学等领域的应用有诸多探索,然而受限于现有制备方法如超声、微流体生产以及无通道等使得当前液态金属最小尺寸仍大于几十纳米且粒径分布范围较宽,限制了其物理性质的探究以及潜在应用的开发。

反溶剂工程是制备高质量钙钛矿薄膜的主流方式之一,而液相脉冲激光辐照技术将多种纳米颗粒原位生成在适当的液相媒介中,并且具有产物纯度高、表面无配体等独特优势。研究人员所在的课题组此前将包含激光产物的液相媒介作为反溶剂来构筑钙钛矿电池,这一方法为钙钛矿引入添加剂提供了创新途径(Advanced Energy Materials, 2019, DOI:10.1002/aenm.201901341)。

有鉴于此,近日,西北工业大学王洪强教授(通讯作者)和伍伦贡大学杜轶(通讯作者)合作在Advanced Materials发表了题为“Laser Generated Supranano Liquid Metal as Efficient Electron Mediator in Hybrid Perovskite Solar Cells”的文章。在该工作中,作者采用液相脉冲激光辐照技术以典型的镓铟锡液态金属合金为例,并将此技术从传统的固/液体系拓展至液/液体系,开发了一种制备工艺简单、产物性能稳定、高效且无配体的超纳液态金属(10nm以下)的制备方法。基于此,我们将具有独特核壳结构的超纳颗粒植入钙钛矿薄膜中以此来提高本体薄膜光电性能,并进一步为高性能光伏器件的构筑提供独特思路及途径。文章共同第一作者为西北工业大学博士后喻惠武(现就职于西北大学)、西北工业大学博士生赵文豪和澳大利亚伍伦贡大学任龙博士。

图一 脉冲激光可控制备10 nm下的LMCs及形成机理

图1 (a) 液相脉冲激光辐照示意图。 (b-d) 不同激光通量制备的LMCs 微观形貌和能谱面分布图。(e) 超声处理及不同激光通量下获得的产物尺寸与激光通量之间的关系图。 (f) 基于HME模型在不同激光通量辐照下Ga,In和Sn颗粒尺寸理论计算与实验规律图谱。

图二 不同尺寸LMCs的成分结构表征

图 2 (a-b) 在100和150 mJ/pulse·cm2下制备的一个30 nm和10 nm左右液态金属纳米颗粒的透射HAADF图像和能量色散X射线(EDX)元素图(scale bar 10 nm)。(c) 和 (d) 为 (a) 和 (b) 中元素分布的示意图。 (e) 不同大小的液态金属纳米颗粒(30 nm和10 nm)的X射线光电子能谱(XPS)图。 (f)激光辐照下纳米液态合金及其氧化形成超纳结构的过程示意图。

图三 基于反胶体溶剂策略,将LMCs植入到钙钛矿薄膜中

图3 (a) 植入supranano-LMCs的器件制备流程图。(b) 以150 mJ/pulse·cm2激光通量制备的LMCs、CsFAMA及CsFAMA-LMCs表面和不同深度剖析的Ga2p XPS。(c) 不同LMCs浓度制备的钙钛矿薄膜XRD图谱。 (d) 和 (e)为不同钙钛矿薄膜的SEM形貌图。(f)和(g)为相应截面的SEM二次电子及背散射电子形貌图。

图四 纳米晶植入的钙钛矿电池性能和湿度、热、工作稳定性表征

图4. (a) 器件SEM截面图。(b)基于不同LMCs浓度的钙钛矿电池性能参数分布。冠军器件的正反扫J-V性能曲线(c)和EQE(d)。 (e) 不同钙钛矿薄膜的紫外-可见光吸收和荧光光谱图。(f) 不同钙钛矿薄膜的TRPL光谱。 (g) CsFAMA 和CsFAMA-LMCs薄膜的能带结构及电子传输示意图。 CsFAMA(h)和CsFAMA-LMCs(i)的AFM和SKPM图。 冠军器件85℃ 300小时热稳定性(j)和工作稳定性(k)。

总结与展望

研究人员通过将脉冲激光辐照技术从固体扩展到液体靶材,通过激光波长、能量密度等参数的调控,实现靶材的可控加热-熔化-蒸发,首次实现了10 nm甚至更小且尺寸分布均匀的液态多元合金可控制备。进一步地,基于反胶体溶剂策略,研究人员将supranano-LMCs植入钙钛矿薄膜中,由于其独特的电子媒介作用,使得器件最高光电转换效率可达到22.03%。通过这一策略来调控钙钛矿薄膜的物理/化学特性,为基于激光-物质相互作用来开发光电及其他应用提供了新的方向。

原文信息

Huiwu Yu#, Wenhao Zhao# , Long Ren#, Hongyue Wang, Pengfei Guo, Xiaokun Yang, Qian Ye, Dmitry Shchukin, Yi Du*, Shixue Dou, and Hongqiang Wang*, Laser Generated Supranano Liquid Metal as Efficient Electron Mediator in Hybrid Perovskite Solar Cells, Advanced Materials, 2020, https://doi.org/10.1002/adma.202001571