Advanced Energy Materials:通过非卤化物工程在空气中实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池

近年来,钙钛矿太阳能电池(PSC)的研究取得了突破性进展,其光电转换效率(PCE)已超过25%,是一种极有商业化应用前景的新型光伏技术。由于钙钛矿材料的耐湿性差,PSC通常在惰性条件下制备以期获得更高的重复性和PCE。考虑到大规模设备制备所需的简单性和低成本,迫切需要开发出空气制备的高效稳定的 PSC。尽管通过湿度控制可以在空气中获得良好的器件性能,但是在空气中尤其是在高湿度条件下制备高性能PSC仍然是一个巨大的挑战。热辅助薄膜沉积法可用于在潮湿空气中制备钙钛矿薄膜,但报道的PCE远低于在惰性气氛中制备的PCE。最近,室温离子液体(ILs)被提出作为一种溶剂,有利于在无湿度控制的空气中制备高质量的钙钛矿薄膜,为空气制备高效的PSC提供了一种有趣的策略。在空气中较难获得高质量钙钛矿薄膜的一个主要原因可能是 PbI2铅源的普遍使用。由于PbI2基钙钛矿薄膜需要相对较长的退火时间,因此加剧了水分对它的不利影响。此外,以PbI2铅源制备的钙钛矿薄膜内容易形成高缺陷密度,这又会加速钙钛矿在空气中的降解。因此,如何在短的退火时间内获得具有较少缺陷和较强结晶性的钙钛矿薄膜是空气制备PSC的关键。对此,基于非卤铅源的探索为迎接这一挑战带来了希望。例如,醋酸铅(Pb(Ac)2)可以在相对短的退火时间内生成超光滑的甲基碘化铅(MAPbI3)钙钛矿薄膜,这是因为反应产生的 醋酸甲胺(MAAc)易挥发促进了晶粒的快速生长。然而,Pb(Ac)2用于空气制备PSC的研究很少且Pb(Ac)2基的PCE一般低于PbI2基,这可能是由于Pb(Ac)2基的钙钛矿薄膜结晶速率过快,导致其较差的结晶度和较小的晶粒尺寸。与 Pb(Ac)2相比,硫氰酸铅(Pb(SCN)2)是另一种制备钙钛矿薄膜的非卤铅源。Pb(SCN)2制备的钙钛矿薄膜具有很强的抗湿性,且通常显示出较大的晶粒尺寸、较高的结晶度和优异的空气稳定性。但使用Pb(SCN)2铅源制备光滑连续的钙钛矿薄膜相对比较困难,这阻碍了它空气制备高效PSC的广泛应用。尽管Pb(Ac)2和 Pb(SCN)2都在空气制备PSC上显现出一些优势,但只使用其中的某一种铅源却很难获得令人满意的器件性能。

鉴于此,武汉大学台启东课题组与宁波工程学院尚明辉课题组联合报道了通过非卤化物工程在空气中实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池的研究成果。文章报道了一种有效的前驱体工程,它同时采用非卤铅源 Pb(Ac)2和 Pb(SCN)2在空气中制备出了具有高抗湿性、高质量的 MAPbI3钙钛矿薄膜。Ac和 SCN离子的存在不仅有利于形成均匀且高结晶度的钙钛矿薄膜,而且还能引导晶体沿(110)方向择优生长。因此,获得了20.55% 的效率,这是空气制备 MAPbI3 PSCs 的最高效率之一,同时也是非卤铅源制备器件的最好结果。此外,与传统PbI2基的PSCs相比,未封装器件的空气稳定性延长了5倍(3600小时)。再加上无毒反溶剂的使用,该策略与环境空气完全兼容,因此具有巨大的实际应用潜力。

文章系统地研究了从富 Pb(Ac)2到富 Pb(SCN)2条件下MAPbI3钙钛矿在空气中的成膜现象。通过优化两种铅源的摩尔比,在较短的退火时间内即可获得晶粒尺寸大于1ー2μm 的均匀致密且高度结晶的钙钛矿薄膜。Pb(Ac)2可以使钙钛矿薄膜快速结晶,而Pb(SCN)2可以促进高结晶度、大晶粒钙钛矿的生长,从而显著降低了钙钛矿薄膜的缺陷态密度。原文主要附图如下:

上述工作得到国家自然科学基金项目(No. 61974106)和中央高校基本科研业务费专项资金项目(No. 2042020kf0195)的支持。

论文信息:

Achieving Efficient and Stable Perovskite Solar Cells in Ambient Air Through Non-Halide Engineering

Zhen Wang, Junjun Jin, Yapeng Zheng, Xiang Zhang, Zhenkun Zhu, Yuan Zhou, Xiaxia Cui, Jinhua Li, Minghui Shang*, Xingzhong Zhao, Sheng Liu, Qidong Tai*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202102169

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202102169