Small:两步沉积法制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池

有机无机杂化钙钛矿太阳电池凭借优异的光电性能在光伏领域备受关注。目前基于SnO2电子传输层的钙钛矿太阳电池的最高认证光电转换效率已经高达25.5%。但是溶液法制备的钙钛矿太阳电池经常会存在由钙钛矿薄膜缺陷导致的非辐射复合损失以及器件不稳定的问题。因此,开发优良的钙钛矿薄膜优化方法来同时改善钙钛矿薄膜生长和器件稳定性的问题至关重要。

近日,华侨大学吴季怀课题组为了改善薄膜存在的缺陷以及不稳定的因素,将苯酞(PT)添加到两步沉积法中的铵盐溶液中,并将1-碘十八烷(1-IO)旋涂于钙钛矿薄膜表面用于提高薄膜的疏水性,通过此方法制备的钙钛矿薄膜实现了缺陷减少、非辐射复合损失降低以及稳定性提高的效果。双重优化后的钙钛矿太阳电池获得了22.27%的光电转换效率,且优化后的太阳能电池放置于65℃,65%湿度的恒温恒湿箱中10天,在原始器件降为0的情况下,双重优化后的太阳电池仍能保持47.5%的光电转换效率。

图1. 双重优化后钙钛矿太阳电池的最高光电转换效率和钙钛矿晶体示意图。
图2. 不同钙钛矿薄膜的场发射电子显微镜。

众所周知,钙钛矿薄膜的形态、结晶度和晶粒尺寸与PSC的光伏性能密切相关。本文发现,使用传统的两步法制备的钙钛矿薄膜会存在很多针孔缺陷,如图2所示,通过添加PT可以减慢结晶速度,从而形成致密、均匀、具有大晶粒的无针孔钙钛矿薄膜。图3显示了原始薄膜、1-IO修饰薄膜、PT掺杂和PT掺杂/1-IO修饰钙钛矿薄膜的X射线衍射(XRD)光谱。与原始薄膜相比,PT掺杂的钙钛矿薄膜表现出更强的(110)衍射峰和更窄的半峰宽,结晶性显着增强。

图3. 不同钙钛矿薄膜的XRD图谱。
图4. (a)不同钙钛矿薄膜的瞬态荧光光谱;(b)原始器件和PT掺杂/1-IO修饰共同优化器件的瞬态光电压衰减曲线。

PT掺杂后有效钝化了钙钛矿薄膜中的缺陷,提高了钙钛矿薄膜的结晶性,PT掺杂后薄膜的载流子寿命明显提高,非辐射复合损失降低。1-IO修饰后薄膜的疏水性测试显示薄膜疏水性提高,在高温高湿环境下对器件光电转换效率进行测试,PT和1-IO优化后器件的稳定性明显提高,这也进一步说明了薄膜缺陷减少,疏水性提高。PT和1-IO共同作用于钙钛矿薄膜后,既提高了钙钛矿薄膜的结晶性,也提高了薄膜的疏水性,最终获得光电转换性能优异的钙钛矿太阳能电池。

图5. (a)原始薄膜和(b)PT掺杂/1-IO修饰薄膜在高分辨率电子显微镜下的图片(在65℃,65%湿度的恒温恒湿箱中放置2天);(c)原始薄膜和(d)PT掺杂/1-IO修饰薄膜的水接触角。
图6. 在65℃,65%湿度的恒温恒湿箱中放置10天的钙钛矿太阳电池器件的光电转换效率变化曲线。

综上所述,本文开发了一种有效的优化方案,通过合适浓度苯酞优化钙钛矿薄膜,结合合理的尺寸控制,可以有效地抑制钙钛矿薄膜的陷阱态缺陷、减少非辐射电荷复合,并通过1-IO提高薄膜疏水性,最终获得了22.27%的光电转换效率且稳定性好的钙钛矿太阳电池。这项工作为钙钛矿太阳电池的稳定性发展提供了思路。

论文信息:

Phthalide and 1-Iodooctadecane Synergistic Optimization for Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells

Xuping Liu, Jihuai Wu*, Chunyan Wang, Yuqian Yang, Deng Wang, Guodong Li, Yitian Du, Yuan Xu, Lei Zhang, Tingting Zhang, Lan Zhang

Small

DOI: 10.1002/smll.202103336

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202103336