Small:醋酸锑添加剂提升MAPbI₃基太阳能电池效率及稳定性

甲胺铅碘有机无机杂化钙钛矿(MAPbI3)由于其长载流子迁移长度、高光吸收系数、可调的带隙成为钙钛矿太阳能电池中有较大潜力的光吸收层材料。但是,MAPbI3基钙钛矿太阳能电池的光电转化效率和稳定性受限于钙钛矿薄膜中较高的缺陷含量以及钙钛矿层和电荷传输层之间的能级失配。钙钛矿光吸收层的薄膜质量和光学性质对钙钛矿太阳能电池的效率有着十分重要的影响,同时和电池内部载流子的传输、分离以及复合有着较为紧密的联系。近年来,研究者们通过改良制备工艺、优化电池结构、调节钙钛矿组成和开发设计添加剂来提高MAPbI3基钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。在这些策略中,添加剂工程对MAPbI3光吸收层的薄膜质量和载流子传输能力影响显著。常用的添加剂包括路易斯酸碱、有机化合物、金属卤化物、金属醋酸盐等。其中,醋酸根(Ac)在改善钙钛矿薄膜质量中起着非常重要的作用而金属锑离子(Sb3+)能够改善钙钛矿的光学和电子特性,进而提高钙钛矿太阳能电池的光电转化效率和稳定性。考虑到Ac 和 Sb3+两者对钙钛矿光吸收层性能的促进作用,醋酸锑(Sb(Ac)3)可能是一个可以显著提高钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的新型添加剂。但是,关于阴阳离子添加剂(如Sb(Ac)3)中阴阳离子各自对钙钛矿光吸收层性能提升的作用机制以及两者之间的协同作用的研究仍未见报道。

最近,南京工业大学/澳大利亚科廷大学邵宗平教授、南京工业大学王纬教授等人在MAPbI3钙钛矿前驱体中引入新型醋酸锑Sb(Ac)3添加剂,有效提升了MAPbI3基钙钛矿太阳能电池的光电转化效率和稳定性。通过系统地比较Sb(Ac)3、Pb(Ac)2、SbI3添加剂对钙钛矿薄膜质量和光学性质的影响,获得了Sb(Ac)3添加剂中阳离子和阴离子对提升钙钛矿光吸收层性能的各自作用机制。研究表明:Ac阴离子可以有效调节钙钛矿的晶体生长,更多地参与钙钛矿薄膜质量的改善,进而提升光吸收层的吸光性能以及降低钙钛矿层中的缺陷含量;Sb3+阳离子可以有效调节钙钛矿层的能级匹配,进而促进电子和空穴的传输并减少载流子的复合。Sb(Ac)3添加剂的引入显著增大了钙钛矿晶粒尺寸、提高了钙钛矿结晶度、减少了晶界数量;同时提升了MAPbI3钙钛矿的价带顶和导带底,使得MAPbI3钙钛矿层和电子、空穴传输层之间的能级更加匹配。总而言之,Sb(Ac)3添加剂中Sb3+ 阳离子和Ac阴离子之间的协同作用可以最大限度地发挥各自的优势。Sb(Ac)3添加剂含量优化后的MAPbI3基钙钛矿太阳能电池可以获得超过21%的光电转化效率,且电池的潮湿、空气和热稳定性均得到了较大改善。本工作提出了一种有效便捷的添加剂策略来同时提高MAPbI3基钙钛矿太阳能电池的效率及稳定性,从而有效促进了钙钛矿太阳能电池的实际应用。相关工作发表在Small(DOI: 10.1002/smll.202102186)上。

论文信息:

Benefitting from Synergistic Effect of Anion and Cation in Antimony Acetate for Stable CH3NH3PbI3-Based Perovskite Solar Cell with Efficiency Beyond 21%

Pengyun Liu, Yonghui Chen, Huimin Xiang, Xiaoqing Yang, Wei Wang*, Ran Ran, Wei Zhou, Zongping Shao*

Small

DOI: 10.1002/smll.202102186

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202102186