Advanced Materials:利用好双刃剑PbI2实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池

研究背景

钙钛矿的可溶液加工和离子型晶体特性使钙钛矿薄膜的光电特性被深能级缺陷削弱,钝化缺陷是实现高效率钙钛矿光伏的前提。然而,先前的报道大多基于额外引入添加剂实现钝化。PbI2作为钙钛矿的合成原材料和分解后的组分存在于钙钛矿薄膜中,本身就是一种天然的优良钝化剂,发挥好PbI2的钝化作用有望实现非添加的高效钙钛矿太阳能电池。但PbI2又是一把双刃剑,它的光不稳定分解会在钙钛矿薄膜中引入孔洞,恶化器件稳定性。如何利用好这把双刃剑,充分发挥钝化效应但避免带来的稳定性削弱是一个难题。

文章概述

近日,北京大学的赵清教授课题组巧妙利用超低温凝结痕量水分实现钙钛矿薄膜表面可控刻蚀,产生仅仅位于上表面晶界的PbI2,与钙钛矿晶粒构成Type-I能带排列,显著钝化表面和晶界缺陷,提高钙钛矿太阳能电池效率同时极大地避免了PbI2的光分解,为充分利用好PbI2的双刃剑特性提供了重要思路。

【本文要点】

要点一:PbI2分布调控

作为钙钛矿的合成原材料和分解产物,通常可以通过在前驱体中加过量的PbI2或高温长时间退火分解钙钛矿薄膜来获得PbI2,但这些方法产生的PbI2大多垂直分布于薄膜内部或者钙钛矿与电子传输层之间 (n-i-p型器件为例),一方面会影响电子的垂直运输(PbI2为P型半导体),另一方面会削弱器件的稳定性(由于光从ITO侧入射,经过电子传输层后优先接触PbI2使其分解,产生内部孔洞)。本工作使用低温凝结痕量水,仅仅刻蚀钙钛矿薄膜上表面,可控产生仅分布在上表面晶界的PbI2,实现PbI2的位置分布有利调控。

图1. 构建表面Type-I能带排列示意图

要点二:避免稳定性削弱

钙钛矿具有超高的光吸收特性,先前的研究表明仅仅需要大约500nm厚的钙钛矿薄膜即可实现90%的光吸收。本工作巧妙地使PbI2仅仅分布在钙钛矿和空穴传输层之间,如图2所示,当光经过完整钙钛矿薄膜到达PbI2时,已经几乎完全被钙钛矿薄膜吸收。因此大大削弱了光对PbI2的 分解能力,避免由于分解产生的孔洞和器件稳定性削弱。

图2. 避免PbI2光分解示意图

要点三:更好地发挥钝化效应

先前的研究表明钙钛矿薄膜的表面缺陷是内部的两次方,表面缺陷钝化往往能大幅提升器件效率,而本工作中PbI2仅仅位于表面晶界,能大幅减少缺陷密度。此外,当PbI2位于薄膜内部时,由于考虑到稳定性削弱和载流子阻挡,通常最多只能过量一定量的PbI2, 这是一种牺牲PbI2的钝化效应换取稳定性的妥协方式。在本工作中,PbI2仅位于薄膜上表面,有效地避免了其光分解,因此为增加PbI2的量以更大程度上发挥其钝化效应提供了可能。本工作中PbI2过量约为10%,最大程度上发挥了PbI2的钝化效应,为更好地利用好这把双刃剑提供了重要参考。基于此策略获得了载流子寿命超2.5微秒的高质量钙钛矿薄膜,并将钙钛矿太阳能电池的开路电压从1.07 V提高到1.17 V。在一步法中将钙钛矿太阳能电池的能量转换效率从20.2%提高到22.4%,并在两步法中实现了23.2%的高能量转换效率。

图3. a. 不同处理时间下的钙钛矿薄膜XRD图,PbI2峰为2θ=12.6°。b. c 不同处理时间下的钙钛矿薄膜的荧光发光和时间分辨荧光寿命结果,随着的PbI2的增多,荧光特性显示出先增强后减弱。d Type-I能带排列示意图,能有效地将电子和空穴排斥回晶粒内部,避免在晶界处被捕获。e.f表面终端由原来富FAI态变为富PbI2态。g.h 变温荧光光谱表征
图4. 钙钛矿太阳能电池器件表征结果

4、结论

本工作通过控制痕量水汽可控刻蚀钙钛矿薄膜上表面,有效地仅仅在钙钛矿薄膜上表面构建PbI2/钙钛矿的Type-I能带排列,极大地避免了载流子在晶界处的损失。基于此策略获得了载流子寿命超过2.5 μs的高质量钙钛矿薄膜,并将钙钛矿太阳能电池的开路电压损失降低到0.39 V,填充因子提升到0.83,使能量转换效率大幅提升到23.2%。此外,此设计还能有效地避免PbI2的光分解,在大幅提升能量转换效率的同时有效地提升了器件稳定性,为更好地利用具有争议的PbI2双刃剑效应提供了重要方法。

【文章信息】

Self-Induced Type-I Band Alignment at Surface Grain Boundaries for Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells

Chao Luo, Yao Zhao, Xianjin Wang, Feng Gao, Qing Zhao*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202103231

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202103231