Small Methods:可热液化的固相前驱体用于空气中制备高质量稳定的钙钛矿

1. 研究背景

由于钙钛矿材料具有吸收系数高、载流子寿命和扩散距离较长、缺陷容忍能力较强等优势,近年来,钙钛矿在太阳能电池、发光二极管和光电探测器等领域的应用越来越广泛。目前,单结钙钛矿太阳能电池已实现25.7%的认证功率转换效率,钙钛矿发光二极管已实现大于20%的转化效率,而基于钙钛矿材料的光电探测器在响应度、响应速度等方面也表现出优异的性能。但是,由于空气中的水和氧对钙钛矿前驱体转化的干扰,高质量的钙钛矿膜通常需在无水无氧的手套箱中制备,这大幅增加了制造成本。此外,钙钛矿前驱体溶液中的碘化物容易被氧化,也严重妨碍了钙钛矿材料在大气环境下的低成本制备。因此,需要开发一种新型的惰性钙钛矿前驱体,以便能够在含有水、氧的环境中制备钙钛矿膜,降低对环境及设备的限制。

2. 文章概述

近期,北京大学深圳研究生院杨世和教授、肖爽副研究员团队联合九州工业大学马廷丽教授团队,成功开发了一种高稳定性的MAPbI3钙钛矿前驱体,可以实现在大气环境中制备高质量的钙钛矿膜。该前驱体的特殊之处在于它在室温下为固体,而在75℃左右时可转变为液体,其非流动性来源于有机溶剂、水与铅-碘骨架形成的配合物中间相,而热液化性赋予其在钙钛矿制备中高度的可加工性。结合热旋涂技术以及引入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)辅助钙钛矿生长,可获得高质量的[200]取向的钙钛矿膜。进一步的,设计出的钙钛矿光电探测器表现出高探测度、低噪声电流和良好的稳定性。

3. 图文导读

图1. 固相前驱体的转化步骤及表征。a. 固相前驱体的转化步骤示意图;b. XRD图谱;c. ATR-FTIR图谱以及d. 空气中的稳定性。

图2. 钙钛矿膜的制备方法及表征。a. 钙钛矿膜的制备步骤示意图;b, c. 基于密度泛函理论的模型构建和计算;d. 钙钛矿膜的ATR-FTIR图谱;e-h. 钙钛矿膜的SEM形貌图。

图3. 不同晶面取向钙钛矿成膜过程的原位表征。a.(110)取向和b.(200)取向钙钛矿的原位光学显微镜图片;c. 非原位XRD图谱;d.(110)取向和e.(200)取向钙钛矿的原位XRD图谱;f.(110)取向和g.(200)取向钙钛矿的晶格示意图。

图4. 光电探测器的结构和性能参数。a. 自驱动光电探测器的结构示意图;b. 不同光照强度的时间-响应电流图谱;c. 外量子效率(EQE)图谱;d. 响应度图谱;e. 探测度和噪声电流(子图)图谱;f. 稳定性测试曲线。

4. 结论

研究团队开发了一种新型高稳定性的固相前驱体及配套的钙钛矿膜制备方法,该技术解决了传统前驱体溶液法所面临的碘离子易氧化的问题,制备的高质量钙钛矿膜为设计的具有低噪声电流和高稳定性的新型自驱动光电探测器奠定了基础。该研究成果对在大气环境下制备钙钛矿和低成本构建新一代光电器件具有显著意义。

该研究项目获得国家自然科学基金(21905006、U2001217、21972006)、广东省科技计划(2021A0505110003)、广东省基础与应用基础研究基金(2020B1515120039)、深港联合研究计划(SGLH20180622092406130)、深圳孔雀计划(KQTD2016053015544057),深圳市技术攻关项目(JSGG20191129110210335)和深圳市基础研究计划(JCYJ20200109110628172,JCYJ20190808163201831)的支持,谨以感谢。

论文信息:

A Heat-Liquefiable Solid Precursor for Ambient Growth of Perovskites with High Tunability, Performance and Stability

Yi He, Zedong Lin, Jian Wang, Kai Zhang, Xiuwen Xu, Yu Li, Xianzhen Huang, Tingli Ma*, Shuang Xiao*, Shihe Yang*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202200384

链接:https://doi.org/10.1002/smtd.202200384