Advanced Energy Materials:离子液体助力高效稳定锡基钙钛矿太阳能电池

研究背景

在非铅的锡卤化物钙钛矿太阳能电池中,无序的晶体生长和低缺陷形成能限制了器件的效率和稳定性。例如,薄膜沉积过程中表面和内部存在的大量针孔和空隙、以及来自Sn(II)氧化为Sn(IV)的p型自掺杂等高缺陷密度引起电荷复合。 此外,传统溶剂DMSO也会通过不可逆的氧化还原反应将前体溶液中的Sn (II)氧化为Sn (IV)。

对此,调控钙钛矿前驱体溶液到薄膜结晶的工序对于解决这些问题和实现锡基卤化物钙钛矿的光伏潜力至关重要。从这个意义上说,调整前体溶液中的化学键以有效地阻止 Sn(II) 的氧化,减少成膜和退火过程中缺陷的产生。 同样,通过化学相互作用调整并优化溶液性质可以调节结晶过程,进一步提高锡基晶体薄膜的质量。

文章概述

最近,德国亥姆霍兹材料与能源中心的Antonio AbateMeng Li等人引入了离子液体乙酸丁铵 (BAAc) 来转化锡的配位环境。研究结果表明,BAAc 与SnI2之间通过形成O…Sn 螯合键和 N-H…X 氢键能够有效遏制DMSO对Sn (II) 的氧化。并且,这些键合作用可以进一步调节钙钛矿薄膜的结晶过程,提供更多均一的成核位点,使得制备的薄膜更加致密且具有优先的晶体取向,并且在薄膜中具有明显减少的 Sn(IV) 和相关的化学缺陷。此外,带有氨基官能团的长脂肪链 BA+组装在钙钛矿的表面,为薄膜提供了增强的疏水性同时增加了Sn(II)的抗氧化性。优化后的器件性能得到显著提升,获得了超过 10% 的功率转换效率,在氮气储存中具有超过 1000 小时的高效率维持。更重要的是,该器件具有令人印象深刻的85 ℃,记录了接近 400 小时的T80效率。该工作通过前体溶液工程转化Sn (II)的配位环境,控制高质量薄膜生长,提供了对锡基薄膜结晶动力学的深入理解,促进了高效和稳定的锡卤化物钙钛矿光伏器件的研究。

图文导读

图 1. 锡基钙钛矿薄膜中 BAAc 离子液体辅助结晶机制的示意图。
图 2. 含 BAAc作用的 钙钛矿薄膜的结构表征。
图 3. 通过原位 GIWAXS 分析表征钙钛矿薄膜形成的结晶动力学。
图 4. 锡基钙钛矿器件结构和光伏性能。
图 5. 薄膜和器件的抗氧化性、疏水性和热稳定性。

文献信息:

Ionic Liquid Stabilizing High-efficiency Tin Halide Perovskite Solar Cells

Guixiang Li, Zhenhuang Su, Meng Li,* Feng Yang, Mahmoud H. Aldamasy, Jorge Pascual, Fengjiu Yang, Hairui Liu, Weiwei Zuo, Diego Di Girolamo, Zafar Iqbal, Giuseppe Nasti, André Dallmann, Xingyu Gao, Zhaokui Wang, Michael Saliba, and Antonio Abate*.

Advanced Energy Materials

 DOI: 10.1002/aenm.202101539

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202101539