Advanced Materials: 溶液法钙钛矿薄膜外延生长机理及高效太阳能电池研究

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池在近十二年里取得了巨大进展,其能量转换效率已经超过了25%。但钙钛矿物理机理十分复杂,如何进一步推进仍需探索。在半导体领域,外延生长是一种广泛采用的制备高质量半导体薄膜的方法。钙钛矿作为一种高效新型半导体光电材料,虽然也被报道具有可外延生长的特性,但不是适用于薄膜太阳能电池的形式。如何实现溶液中又相对传统半导体领域快速很多的钙钛矿薄膜外延生长,显然是一个巨大挑战。

香港理工大学李刚教授及合作团队针对这一挑战进行了探索。首先通过简单的实验作者证实了通过钙钛矿薄膜在不同的基底材料上表现出不同的结构特性,进而激发了用外延生长的方法制备高质量取向性好的钙钛矿薄膜的兴趣。本工作成功实现了准外延生长的方法获得高质量取向性好的钙钛矿薄膜(两步法工艺),而作者认为实现这一目标的方法与俄罗斯方块以及搭积木的游戏中的经验有异曲同工之妙。游戏中首先要保证最底层的积木和方块要有序整齐;其次,在反应速度有限的情况下,尽量减慢方块的下落速度或搭积木的速度。 此项工作是通过两步法工艺制备FAPbI3基的钙钛矿薄膜作为实验模型来实现的准外延生长。概括的来说,我们首先通过加入大分子有机盐在钙钛矿薄膜生长中自组装形成有序的模板。其次,通过MACl降低钙钛矿生长结晶速度,从而实现模板诱导的钙钛矿取向性外延生长。

该团队通过原位GIWAXS,从结晶动力学角度揭示BABr对钙钛矿薄膜结晶过程作用和影响。通过对比对照组与实验组(添加剂BABr),实验组清楚的出现了与BA相关的中间相。其次对实验组钙钛矿薄膜不同深度的原位解析,证实了这个中间相主要出现于钙钛矿的底部,因而首次直接观察到底部自组装形成的BA相关模板的生长过程。这个与BA相关的中间相对于钙钛矿薄膜接下来的取向性生长提供了模板,因而是一种模板诱导的溶液法外延生长。通过GIWAXS深度剖析确定薄膜不同深度的碘化铅的含量的方法,作者进一步证明这是一种底面模板诱导,自下而上的溶液法外延生长模式,而这个生长过程是由于加热过程中热传导的决定的。

该团队研究者相信,此项研究将会为基于钙钛矿薄膜半导体材料的制备与基础研究提供新的视角,并为基于溶液法外延生长钙钛矿薄膜理论提供新的思路。 

论文信息:

Bottom‐Up Quasi‐Epitaxial Growth of Hybrid Perovskite from Solution Process—Achieving High‐Efficiency Solar Cells via Template‐Guided Crystallization

Hengkai Zhang, Minchao Qin, Zhiliang Chen, Wei Yu, Zhiwei Ren, Kuan Liu, Jiaming Huang, Yaokang Zhang, Qiong Liang, Hrisheekesh Thachoth Chandran, Patrick W. K. Fong, Zijian Zheng, Xinhui Lu*, Gang Li*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202100009

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202100009

AM

《先进材料》(Advanced Materials)是一本超过30年历史,由Wiley出版发行的材料科学类知名权威期刊。期刊聚焦功能材料在化学、物理、生物等各项领域及相关交叉学科的前沿进展,影响力广泛。最新影响因子为27.389,中科院2020年SCI期刊分区材料科学大类Q1区、工程技术大类Q1区。