Advanced Materials:顺序A位掺杂精确控制钙钛矿结晶动力学过程

太阳能电池可以将清洁能源太阳能直接转换为电能为人所用,具有十分广阔的应用前景。近年来,钙钛矿太阳能电池因其低廉的制备成本、飞速增长的光电转换效率而受到广泛关注。目前钙钛矿太阳能电池的认证效率已经超过了25%,其性能的提高一部分得益于钙钛矿组分及制备过程的调控和优化,而更深层次的是组分和制备方法的改进会改变钙钛矿晶体的结晶过程,进而影响最终薄膜的性质。因此,研究钙钛矿结晶过程的内在机理对于进一步提高器件性能至关重要。

香港中文大学的路新慧团队利用先进的基于同步辐射的原位原位掠入射广角X射线散射(in situ GIWAXS)来观测两步法制备钙钛矿中的结晶过程,并且通过在钙钛矿制备第一步和第二步中分别掺入Cs+和GA+离子来实验对其结晶过程的精确控制。第一步中Cs+的加入会诱导δ-CsPbI3相的生成,同时抑制了PbI2的结晶。荷兰埃因霍温理工大学陶书霞团队通过第一性原理计算发现,相比于从PbI2转变为钙钛矿相,从δ-CsPbI3相转变为钙钛矿相具有更低的反应焓,因此在钙钛矿制备的第二步中,更易从δ-CsPbI3位点结晶成核生成钙钛矿晶体。然而,δ-CsPbI3位点的数量较少,因此生成的钙钛矿晶体虽然晶粒较大,但存在很多孔洞,从而限制了相应的器件性能。幸运的是,在第二步中引入GA+离子可以完全解决该问题。GA+阳离子的引入加速了钙钛矿相的生成,同时通过Ostwald熟化和增强的晶界迁移从而消除了孔洞。第一性原理也验证了,GA+的加入缓解了由Cs+导致的晶格应力的增大,并且其和卤化铅八面体骨架之间的键合强度更高,生成的三元相(GACsFA)更稳定,从而促进了钙钛矿的晶体生长。最终,在Cs+和GA+的协同作用下,提高了钙钛矿薄膜的结晶度并降低了其中的缺陷密度,从而制备出了最高性能为23.5%的钙钛矿太阳能电池。

研究者相信,此工作揭示了两步法相比一步法具有很大的优势,即两步法过程可以分解钙钛矿成核与晶体生长过程,并且借助连续掺杂处理可以实现精确控制钙钛矿结晶过程,从而进一步推动钙钛矿太阳能电池的效率提高。相关论文在线发表在Advanced Materials上 (DOI: 10.1002/adma.202004630)。