Small:生长1D纳米棒状钙钛矿构筑高效稳定的甲脒钙钛矿电池

钙钛矿可谓是一种“宝藏”材料,它以低成本、易加工和高效率等优势而“出圈”。如今,钙钛矿材料在光伏发电领域风生水起,在短短十年内实现了光电转换效率从3.8%到25.5%的蜕变,其发展速度已超过多晶硅、CdTe、CIGS等商业化应用的薄膜太阳能电池。在诸多钙钛矿体系中,甲脒钙钛矿太阳能电池具有合适的禁带宽度,较宽的光谱响应以及良好的热稳定性,是突破光电效率瓶颈最有潜力的材料之一。然而,传统的低温溶液制备法获得的钙钛矿薄膜通常是多晶薄膜,其由液相到固相的快速结晶过程容易产生大量的缺陷,如晶界、空位以及反位缺陷等,不仅限制了光电效率的进一步提高,同时也是导致电池稳定性差的“元凶”。另外,钙钛矿表面缺陷数量甚至比体缺陷高一个数量级,因此提高活性层的晶体质量,减少表面缺陷对实现甲脒钙钛矿太阳能电池的商业化尤为重要。

针对以上问题,汕头大学鲁福身教授课题组与山东大学酒同钢教授课题组合作,在纯甲脒钙钛矿太阳电池研究方面取得新进展。他们将维度调控和缺陷钝化相结合,采用后处理的方式在纯甲脒钙钛矿表面引入4-氯苯甲脒盐酸盐,诱导钙钛矿二次生长形成1D纳米棒状钙钛矿,有效的填补3D钙钛矿的晶界以及空位缺陷,减小了非辐射复合损失,电压损失降低至0.35 eV, 实现了21.95%的光电转换效率。同时1D钙钛矿的优异稳定性可以保护3D钙钛矿太阳能电池免受环境水汽的侵蚀,未封装器件对光、热和湿稳定性得到显著改善。

通过高分辨透射电子显微镜和X射线衍射测试了1D/3D钙钛矿的微观结构和结晶性质,结果表明4-氯苯甲脒盐酸盐与钙钛矿表面FAI以及过量的PbI2反应,诱导钙钛矿择优取向生长,定向结晶形成1D纳米棒状钙钛矿,促进了载流子的高效提取和传输。这是减少能量损失,获得高开路电压的主要原因。另外,氯元素与未配位的Pb2+相结合,有效填补空位,减少了离子迁移的通道,改善钙钛矿电池的稳定性。在不同的老化条件下测试了未封装器件的长期稳定性,在相对湿度为60~80%的空气环境中、85℃的加热以及连续光照条件下放置350 h后,器件仍保持大于75%的初始效率,表现出较高的湿、热和光稳定性。

研究表明,采用维度调控和缺陷钝化相结合的方式,可以实现高效且稳定的钙钛矿太阳能电池,这项工作为采用小分子甲脒衍生物改善电池的稳定性提供了重要思路,对于推动钙钛矿太阳能电池的产业化具有重要意义。

通讯作者简介

鲁福身,汕头大学教授,博士生导师,广东省“扬帆计划”高层次人才,汕头市科技创新领军人才。2005年于中科院化学所获得有机化学博士学位,然后赴美国Clemson大学从事博士后研究工作,2010年加入汕头大学。主要从事低维纳米材料的结构设计、合成及其在环境、能源催化方面的应用研究,先后主持国家自然科学基金、省部级基金及科技计划项目、校企联合开发项目等十余项,在Adv. Mater., Appl. Catal. B: Environ., Small, ACS Appl. Mater. Interfaces., J. Hazard. Mater.等国际知名学术期刊发表论文100余篇,论文他引8600余次。

酒同钢,教授,博士生导师,山东大学杰出中青年学者,先后入选山东省急需紧缺高层次人才、泰山学者青年专家、中国科学院青年创新促进会会员。2006 年博士毕业于中科院化学所。曾在法国原子能研究所、荷兰埃因霍温理工大学、加拿大阿尔伯塔大学从事太阳能电池材料与器件的研究工作。2020年加入山东大学,主要围绕石墨炔基复合光电材料与器件方向开展研究工作。在J. Am. Chem. Soc.Adv. Mater.Nano LettNano EnergySmall等发表学术论文80余篇, 主持承担了国家自然科学基金项目、山东省重大基础研究项目等。

论文信息:

Growth of 1D Nanorod Perovskite for Surface Passivation in FAPbI3 Perovskite Solar Cells

Jin Wang, Le Liu, Siqi Chen, Lu Qi, Min Zhao, Chengjie Zhao, Jin Tang, Xu Cai, Fushen Lu*, Tonggang Jiu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202104100

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202104100