Advanced Energy Materials:原位形成离子液体覆盖层提升钙钛矿电池性能

研究背景

钙钛矿太阳电池经过十多年迅猛的发展,将光电转换效率从最初的3.8%提升到接近26%。为了继续提升钙钛矿太阳电池的光电转换效率,在短路电流密度已经快接近极限的情况下,提升钙钛矿器件的开路电压和填充因子比提升器件的短路电流密度更具紧迫性。以往的研究表明,太阳电池的开路电压与电池吸收层的本体和表面缺陷都有关。目前钙钛矿太阳电池制备中常使用的溶液法制备的多晶薄膜含有大量的缺陷,进一步限制了太阳电池效率的提升。目前常用的长烷基铵盐卤化物表面钝化材料是一种非常有效的钙钛矿表面钝化剂,我们尝试寻找更高效的钝化剂助力钙钛矿电池性能和稳定性的进一步提升。

陕西师范大学刘生忠刘渝城教授课题组采用1-乙基-3-甲基咪唑溴盐[EMIM]Br离子液体在钙钛矿薄膜表面形成离子液体覆盖层有效地降低了钙钛矿薄膜的缺陷密度,进而将钙钛矿电池效率提升至24.33%,同时大幅提升了稳定性。进一步研究表明,离子液体中的阳离子通过与钙钛矿表面未配位的Pb2+原位形成离子液体覆盖层,从而提高器件的性能和稳定性。

该项工作为FAPbI3太阳电池开发了一种优良的离子液体缺陷钝化策略,即将选定的1-乙基-3-甲基咪唑溴盐([EMIM]Br)离子液体锚定钙钛矿表面的Pb2+和I,在表面原位反应形成薄的离子液体钙钛矿覆盖层。离子液体可以通过与钙钛矿薄膜形成强化学键来稳定钙钛矿,这可以在很大程度上阻止钙钛矿成分的损失,并降低晶界和界面处的陷阱态密度。因此,这种钝化效应同时提高了钙钛矿太阳电池的光电转换效率和器件稳定性。具体来说,覆盖层改性策略延长了载流子复合寿命,并将器件开路电压(Voc)提高到1.192 V。对于结构为FTO/SnO2/钙钛矿/CL/spiro-OMeTAD/Au的完整器件,我们最终获得了高达24.33%的光电转换效率,同时,在面积为10.75cm2的组件效率达到20.33%。

论文信息:

Ionic-Liquid-Perovskite Capping Layer for Stable 24.33%-Efficient Solar Cell

Xuejie Zhu, Shaoan Yang, Yuexian Cao, Lianjie Duan, Minyong Du, Jiangshan Feng, Yuxiao Jiao, Xiao Jiang, Youming Sun, Hui Wang, Shengnan Zuo, Yucheng Liu*, Shengzhong (Frank) Liu *

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202103491

原文链接:https://doi.org/10.1002/aenm.202103491