Advanced Functional Materials:多金属氧酸盐基材料消除多重铅缺陷增强钙钛矿太阳能电池热稳定性

钙钛矿太阳能电池转换效率的快速增长加速了其产业化进程。因此,无封装器件的稳定性问题成为了当前的热门研究方向。研究表明,存在于钙钛矿薄膜表面和晶界处未配位的二价铅离子缺陷不仅作为非辐射复合中心,降低载流子寿命和电荷提取效率,而且会与水分和氧气接触,侵蚀钙钛矿薄膜,加速钙钛矿电池的降解。特别是,在加热或光照时,二价铅离子又会继续被还原为金属态的铅单质,成为深能级缺陷,严重影响器件的长期稳定性。因此,消除未配位的二价铅离子缺陷与铅单质缺陷是制备高效稳定钙钛矿电池的关键因素之一。

哈尔滨工业大学化工与化学学院杨玉林教授、林凯峰教授和青年教师张健针对以上问题设计方案,在钙钛矿的前体溶液中添加复合结构的多酸基材料CoW12@MIL-101(Cr)掺杂剂,消除多种铅缺陷,进而改善三元混合阳离子型钙钛矿薄膜的性能。通过与MOFs骨架的相互作用,优化了CoW12的氧化效力,实现了复合材料在不与碘单质反应的前提下对铅单质的可控氧化。同时,MOFs材料中富电子的原子或基团可以与未配位的铅离子之间形成路易斯酸碱加合物,从而钝化二价铅离子缺陷。本工作中,首次通过原位TG-FT-IR联用技术分析研究了前驱体溶液中的溶剂逸出过程,证明加入CoW12@MIL-101(Cr)可以加速有机溶剂的挥发并减少副产物的产生,从而获得了更加均匀致密的钙钛矿薄膜。因此,CoW12@MIL-101(Cr)修饰后器件的光电转化效率从19.41%提升至21.39%。在经过1000小时的自然存储或85℃氮气氛围下加热后,未封装的CoW12@MIL-101(Cr)修饰器件可以分别保持近89%和85%的初始效率。这些结果表明CoW12@MIL-101(Cr)修饰的钙钛矿太阳能电池的湿热稳定性得到明显改善。

该方法证明基于多金属氧酸盐的材料可以作为一种有效的添加剂钝化未配位的二价铅离子缺陷并同时消除深度铅单质缺陷,提高PSCs的长期稳定性和湿热稳定性。这项工作将进一步鼓励研究人员在光电子器件领域探索无机添加剂的应用。

青年教师张健和博士生王伟在实验设计和结果分析方面做出重大贡献。上述研究得到了国家自然科学基金(22001050, 22072034, 21873025),中国博士后基金(2020T130147, 2020M681084),黑龙江省博士后基金(LBH-Z19059)和黑龙江省青年自然科学基金(Grant No.YQ2021B002)等项目的支持。

论文信息:

Construction of Polyoxometalate-Based Material for Eliminating Multiple Pb-Based Defects and Enhancing Thermal Stability of Perovskite Solar Cells

Wei Wang, Jian Zhang*, Kaifeng Lin*, Yayu Dong, Jiaqi Wang, Boyuan Hu, Jiao Li, Zhe Shi, Yanjing Hu, Wei Cao, Debin Xia, Ruiqing Fan, Yulin Yang*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202105884

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202105884