Advanced Functional Materials:光热共处理制备效率超过18%的稳定的二维钙钛矿太阳电池

具有A2Bn-1MnX3n + 1化学式的二维卤化物钙钛矿因其出色的稳定性而备受关注。然而,二维钙钛矿太阳电池(2D PVSCs)光电转换效率(PCE)低于三维(3D)电池,这是因为绝缘的间隔阳离子导致量子限制并阻碍了电荷传输。具有良好晶体取向和低缺陷密度的高质量钙钛矿薄膜是实现具有高PCE的2D PVSC的关键。迄今为止,科研工作者已经开发出许多方法来制备高质量的2D钙钛矿薄膜,例如热旋涂,添加剂或真空辅助方法,溶剂工程,利用合适的间隔阳离子,界面工程,原位处理,等等。

2D PVSC效率方面的突破主要是通过优化钙钛矿薄膜的制备工艺来实现的。此外,通过对器件进行光照或加热后处理可能会显著影响光伏性能和器件稳定性。例如,光照可以改变载流子复合,其与离子迁移、固有缺陷密度或极化子状态密切相关。研究表明,在标准的1个太阳光下,对基于FA0.7MA0.25Cs0.05PbI3的器件进行连续光照可以导致钙钛矿的晶格均匀膨胀,并使PCE从18.5%增加到20.5%。黄劲松等报道了由于光致电场驱动的离子/空位的漂移,光照后基于MAPbI3器件的性能有所改善。对基于BA2MA3Pb4I13的2D PVSC进行60°C的缓慢加热后处理,可以帮助优化钙钛矿相的排列并将PCE从15.66%提高到17.26%。这些研究说明了通过加热后处理或光照后处理来改善器件性能的有效性。加热和光照后处理方法的结合也可能会对器件的性能产生协同作用,但是,这种共同后处理的研究还没见报道。

浙江大学高分子科学与工程学系的陈红征课题组首次提出了光-热后处理策略,并制备了高效且空气稳定的二维钙钛矿太阳电池。他们发现:(1)在黑暗中,在超过100 oC的温度下对基于GA0.2BA1.8MA5Pb6I19的2D PVSC进行热退火会迅速降低器件性能。然而该器件在加热的时候同时施加光照可以显著改善器件性能。他们对载流子动力学进行了全面研究,并揭示了光和热共处理的潜在机理在于二者的协同效应,以减少陷阱态并改善电荷传输;(2)经过光热共后处理后,基于ITO / PTAA / PFN-Br / GA0.2BA1.8MA5Pb6I19 / PC61BM / BCP / Ag结构的优化器件的效率达到18.24%,为2D PVSC的最高效率之一;(3)光热共处理后的2D PVSC具有很好的稳定性,在50±5%湿度的空气中保存1340小时后(不封装),仍可以保持其原始PCE的90%。在没有封装的情况下在空气测试时,该器件的认证效率为16.4%。

这项工作表明,光热共处理是一种制备高效,稳定的二维钙钛矿太阳电池的简便有效的方法,可用于未来的商业化。相关论文发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.202004188)上,文章第一作者是连小梅博士生,浙江大学化学系朱海明教授和华南理工大学解增旗教授在光谱测试方面提供了帮助,通讯作者为陈红征教授和吴刚副教授。