Advanced Functional Materials:自聚合单体助力高效率高稳定性钙钛矿太阳能电池

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有机无机卤化物钙钛矿太阳能电池因其低成本的溶液加工方法和高光电转化效率而成为一种新型的光伏器件。 在过去的十年中,钙钛矿太阳能电池的功率转换效率从3.8%迅速提高到25.5%。尽管钙钛矿太阳能电池显示出卓越的光电性能和有吸引力的光电转化效率,但在环境湿度、温度和光照下,钙钛矿器件的内在缺陷,离子迁移, 相分离,易降解等特征严重阻碍了进一步的商业化。

香港大学蔡植豪教授与苏州大学唐建新教授联合报道了基于添加剂工程的自聚合单体助力高效率高稳定性钙钛矿太阳能电池。自聚合单体2-(dimethylamino) ethyl methacrylate (DMAEMA) 通过反溶剂添加剂工程(AAE)加入到钙钛矿薄膜中,有助于均匀的成分分布,提高了结晶度和相稳定性。同时,由于与DMAEMA与钙钛矿的强相互作用,缺陷密度和非辐射复合减少。最终,实现了高性能和高稳定性的钙钛矿太阳能电池。

该工作首先证明了引入单体分子后,在100°C退火环境下,单体在钙钛矿薄膜中有效的自聚合。略入射X射线粉末衍射表征,引入DMAEMA单体的钙钛矿薄膜具有更好的结晶性,碘化铅的峰消失。飞行时间二次离子质谱TOF-SIMS表征结果证明,基于AAE方法的钙钛矿薄膜的成分分布更为均匀。引入DMAEMA的倒置光伏器件实现了超过21%的高光电转化效率,开路电压为1.10 V,短路电流为23.86 mA/cm2,填充因子为0.82。同时,由于抑制了碘单质的形成,减少了非配位的Pb2+并抑制了相分离,器件的稳定性得到了极大的改善。该工作为高性能和高稳定性的太阳能电池和其他光电器件的添加剂工程提供了新的思路。

图1. (a) 入射角为1°的对照和DMAEMA处理的钙钛矿薄膜的GIXRD。(b)对照组钙钛矿薄膜的二维GIXRD。(c) DMAEMA结合的钙钛矿薄膜的二维GIXRD。(d) DMAEMA结合的钙钛矿薄膜的TOF-SIMS光谱。(e)对照钙钛矿薄膜TOF-SIMS截面PbI+分布。(f) DMAEMA结合的钙钛矿薄膜TOF-SIMS截面PbI+分布。
图2. 在0小时、24小时和72小时的连续光照下,对照钙钛矿薄膜(a)和引入DMAEMA的钙钛矿薄膜(b)的吸收率。(c) 连续光照下的器件稳定性。

作者感谢以下基金的支持:Grant Nos. 2019157209 and 202011159254 from the University Grant Council of the University of Hong Kong. The General Research Fund (Grant Nos.17200518, 17201819, and 17211220, and 17200021) and Collaboration Research Fund (C5037-18G) from Hong Kong Special Administrative Region, China.

论文信息:

Self-Polymerization of Monomer and Induced Interactions with Perovskite for Highly Performed and Stable Perovskite Solar Cells

Ruiman Ma, Jiawei Zheng, Yu Tian, Can Li, Benzheng Lyu, Linyang Lu, Zhenhuang Su, Li Chen, Xingyu Gao, Jian-Xin Tang*, Wallace C. H. Choy*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202105290

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202105290