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山东大学物质创制与能量转换科学研究中心酒同钢教授课题组:钙钛矿表面钝化研究进展 2022/09/01 17:29

研究背景

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从 3.8% 25.5% 的光电转换效率的蜕变,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、空位缺陷等,限制了光电效率的进一步提高,同时也导致电池稳定性变差。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。


山东大学物质创制与能量转换科学研究中心酒同钢课题组在甲脒钙钛矿太阳能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,其对氯结构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0.35eV,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,未封装器件的光、热和湿稳定得到显著改善【 Small 2022, 18, 2104100 】。 

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通过高分辨透射电子显微镜和X射线衍射测试阐明了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,定向结晶形成1D纳米棒状钙钛矿,对氯结构诱导钙钛矿择优取向生长,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,空位的有效填补减少了离子迁移的通道,有利于钙钛矿电池稳定性的改善。在不同的老化条件下测试了未封装器件的长期稳定性,分别在相对湿度为60%-80%的空气环境中、85℃的加热以及连续光照条件下放置350h后,优化器件仍保持大于75%的初始效率,表现出较高的湿、热和光稳定性。

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碘化铅甲脒的离子型软晶格结构导致的边界悬挂键,以及甲脒离子在晶界表面的紊乱运动,导致FAPbI3钙钛矿太阳能电池在工作时容易发生严重的非辐射复合。表面紊乱结构引起多种渠道的光生载流子损耗,导致严重的压降损失,使得电池的开路电压远低于理论值,同时器件的稳定性也大大降低。针对上述问题,研究组研究了碘化铅甲脒的表面化学行为,发现了钙钛矿薄膜表面存在大量铅碘悬挂键和紊乱的甲脒阳离子,通过高分辨能量分析和超快载流子动力学研究发现,这些紊乱的能量态提供了载流子复合的场所,是电压损失的主要原因。研究组通过表面离子交换的策略,用更稳定的乙脒阳离子来交换表面不稳定的甲脒阳离子,同时填补了表面的空位缺陷。修复后的钙钛矿表面展现了更少的能量损失,开路电压由原来的1.09V提升至1.16V(在1.51V的光学带隙下),器件的工作稳定性也得到极大的提升【Small Methods 2021, 5, 2101079】。


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近日,研究组进一步证实了低维钙钛矿构筑对FAPbI3钙钛矿太阳能电池性能的调控作用。研究人员从分子结构性质调控出发,将相对短链的环丙甲脒盐酸盐(CPAH)应用于FAPbI3钙钛矿表面缺陷钝化研究。在避免长烷基链绝缘效应的基础上,CPAH中环丙基的空间效应使得三维钙钛矿表面诱导生成更为稳定的二维钙钛矿,所制备的二维/三维钙钛矿薄膜在能级、薄膜形貌及缺陷态密度等性质方面均得到有效调控。二维钙钛矿钝化层可有效抑制电荷复合并促进电荷转移,因此器件最优开路电压损失降低至0.34eV,能量转换效率达到22.8%,同时器件的湿、热和光稳定性显著提高【Nano Today 2022, 42, 101357】。

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酒同钢教授简介


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。博士毕业于中科院化学所。 2020 年加入山东大学物质创制与能量转换科学研究中心,主要围绕石墨炔基复合纳米光电材料与太阳能电池新能源器件方向开展研究工作。目前已在国际知名期刊如 J. Am. Chem. Soc. Adv. Mater. Nano Lett Nano Today Nano Energy Small 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、中科院人才项目及国际合作项目。

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