中山大学池振国、张艺课题组Small:二次结晶与表面钝化助力高效稳定钙钛矿太阳能电池

有机无机杂化钙钛矿具有优异的光电性能,如缺陷容忍度高、吸光性能好、制备方法简单等,在太阳能电池领域大放异彩,使得钙钛矿太阳能电池的光电转换效率在十多年间从3.8%提高到25.0%甚至更高。然而,有机无机杂化钙钛矿的缺陷特别是表面缺陷仍然制约着钙钛矿电池光电转换效率的进一步提高,所引起的钙钛矿不稳定性也是阻碍钙钛矿太阳能电池商业化发展的一个不容忽视的因素。针对这个问题,通常的界面优化方法可以大致归为两类:一是表面钝化,二是二次结晶。一般而言,表面钝化通过引入钝化分子,可以对钙钛矿表面进行修饰和钝化,阻隔水氧,抑制钙钛矿的分解,从而提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率,延长使用寿命。但是,表面钝化对改善钙钛矿结晶的作用则十分有限。二次结晶是利用某些方法让钙钛矿结晶度提高的后处理技术,可以有效消除先前未参与结晶的组分,提高钙钛矿太阳能电池的稳定性。尽管如此,二次结晶仍受限于钙钛矿本身的性能,难以达到因引入钝化分子而产生表面钝化带来的多样化效果。

为此,中山大学池振国张艺课题组将表面钝化与二次结晶相结合,设计出新型的含氰基乙酸的D-A型表面钝化剂(CA-D-A)。此表面钝化剂处理钙钛矿表面后,能够实现二次结晶效果,同时兼具表面钝化性能,从而提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和稳定性。相关结果在线发表在Small上。

该研究团队合理设计的分子结构,是达到结合表面钝化与二次结晶目标的关键。作者通过选择利用氰基乙酸基团的不同互补阳离子,可以实现不同的二次结晶效果,其中甲胺阳离子的效果最佳,得到的钙钛矿表面晶体结晶程度最高。同时,由于氰基乙酸中含有的羰基可以与欠配位的Pb2+发生路易斯酸碱相互作用,能够产生良好的表面钝化效果。另外,也得益于分子的D-A结构,经过处理的钙钛矿表面能级结构与空穴传输层更加匹配,电荷抽取效率更高。综合以上因素,经过CA-D-A修饰的MAPbI3基太阳能电池的光电转换效率得到提高,稳定性也得到明显改善。该工作对钙钛矿太阳能电池的界面处理提供了一种新的策略,有望进一步提升钙钛矿太阳能电池的性能,推动钙钛矿太阳能电池技术的发展。

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论文信息:

An Effective Strategy of Combining Surface Passivation and Secondary Grain Growth for Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells

Dongyu Ma, Wenlang Li, Xiaojie Chen, Zhan Yang, Juan Zhao*, Zhiyong Yang, Yi Zhang*, Zhenguo Chi*

Small

DOI: 10.1002/smll.202100678

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202100678

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