Small Structures: 高效率高稳定性的黑相FAPbI3钙钛矿太阳能电池研究进展

ABX3型金属卤化物钙钛矿材料由于其优异的光电特性和简易的加工技术,在光伏领域内受到广泛关注和研究。在常见的有机无机杂化金属卤化物钙钛矿中,甲脒铅碘(FAPbI3)钙钛矿是最理想的光吸收候选材料之一。立方相α-FAPbI3钙钛矿的带隙为1.48eV,更接近单结太阳能电池的理论极限效率对应的带隙值(1.3-1. 4 eV)。甲脒铅碘钙钛矿作为吸光层的太阳能电池具有更高的短路电流(JSC)和更高的器件光电转换效率(PCE)。近年来,通过对FAPbI3钙钛矿材料和器件特别是电荷传输层的不断深入研究,基于α-FAPbI3的钙钛矿太阳能电池的PCE已达到25.6%,基本可以和实验室单晶硅器件媲美(最高认证效率26.1%)。

实现钙钛矿太阳能电池的大规模商业化应用除了器件的高效率之外,还需具备长期稳定性。虽然α-FAPbI3钙钛矿具有优异的热稳定性和光稳定性,但因其自身结构问题,当暴露于湿度较大的环境氛围中,黑相α-FAPbI3会自发转变为不具有光活性的黄色δ-FAPbI3非钙钛矿相,这不利于钙钛矿器件的长期稳定性并会阻碍其商业化发展。研究表明,对α-FAPbI3钙钛矿进行离子掺杂(甲胺离子MA+,铯离子Cs+,溴离子Br等)可提升材料的相稳定性,然而混合组分削弱了原有纯α-FAPbI3的热稳定性(甲胺离子挥发)/光稳定性(碘溴相分离)和宽吸收范围等优势。因此,纯α-FAPbI3钙钛矿的有效相稳定性优化是实现高效率高稳定性的钙钛矿太阳能电池的关键。

近日,上海交通大学赵一新课题组总结概述了高效率高稳定性的纯FAPbI3基钙钛矿太阳能电池的研究进展。首先从材料晶体学出发,介绍了不同FAPbI3钙钛矿相(α-、β-、γ-、δ-)的晶体结构和不同晶相间的相变条件,从晶格和结构能的角度解释FAPbI3从立方黑相到六方黄相的相变过程。从改善FAPbI3钙钛矿薄膜结晶动力学的角度,详细总结有关相稳定的纯α-FAPbI3钙钛矿薄膜的相关制备工艺优化进展,包括一步法、两步法(分子内交换)和双面冲压技术等,讨论了钙钛矿单晶和粉末前驱体原料对器件性能和稳定性的影响变化。系统归纳和总结了提升α-FAPbI3钙钛矿相稳定性的相关策略:在钙钛矿前驱体溶液中加入添加剂包括氢卤酸、离子化合物和路易斯碱等提升FAPbI3黑相转化和薄膜质量,引入新组分实现A位掺杂和合金化并保持吸收范围不变,进而改善FAPbI3钙钛矿晶格稳定性。总结和讨论层间界面接触对稳定FAPbI3钙钛矿相的重要性,列举有效层间界面工程和基底选择以降低黑相FAPbI3相转化形成势垒。最后对FAPbI3钙钛矿太阳能电池的未来研究方向进行展望,从深层机理和未来商业化制备等方面提出对纯FAPbI3钙钛矿器件性能进一步优化的可行性方向。

供稿人:陈皓然

论文信息:

Advances to High‐Performance Black‐Phase FAPbI3 Perovskite for Efficient and Stable Photovoltaics

Haoran Chen, Yuetian Chen, Taiyang Zhang, Xiaomin Liu, Xingtao Wang, Yixin Zhao*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202000130