暨南大学麦耀华团队EES：基于CsxFA1-xPbI3-[GaAA3]4核壳结构的高效稳定钙钛矿太阳电池

【引言】

近年来，新型钙钛矿太阳电池得到了迅猛的发展，短短几年内，转换效率已经提升至现在的22.7%^[1-3]，受到了人们的广泛关注，然而该类电池的稳定性成为限制其进一步产业化的瓶颈。

【成果简介】

近日，暨南大学新能源技术研究院麦耀华教授团队的论文“In-situ Induced Core/Shell Stabilized Hybrid Perovskites via Gallium(III) Acetylacetonate Intermediate towards Highly Efficient and Stable Solar Cells”在Energy & Environmental Science（EES）杂志上发表。EES是英国皇家化学会(Royal Society of Chemistry，RSC)的会刊，是能源与环境领域影响因子最高的杂志（IF=29.518）。暨南大学范建东教授和麦耀华教授为文章共同通讯作者，李闻哲副研究员和河北大学硕士生张翠苓为共同第一作者。

该研究得到广东省高水平大学建设经费的资助，同时也得到国家自然科学基金委面上项目(51672111)、暨南大学科研培育与创新基金青年基金项目(21617341)的支持。

暨南大学新能源技术研究院是以国家“千人计划”特聘专家麦耀华教授为学术带头人，为打造高水平新能源技术创新研发平台而成立的研究团队。新能源技术研究院以技术创新和人才培养为工作重心，通过面向产业化的前沿技术研发、科研成果转化和创新型人才培养，推动学科建设和新能源产业的发展。目前，研究院有专职科研人员12名，拥有包括PECVD、溅射和SEM、XRD等大型材料与器件的制备与表征设备50余台（套），主要开展高效率晶体硅太阳电池、化合物薄膜太阳电池、钙钛矿太阳电池、锂电池和光伏系统等方向的研究。

【本文亮点】

该研究工作制备得到了具有核壳结构的钙钛矿晶体薄膜，极大地提高了钙钛矿晶粒的防水性，并且通过钝化钙钛矿晶界的缺陷态，有效地提高了电池在潮湿环境中的稳定性和能量转换效率，器件在50%湿度条件下800h后仍能保持最初效率的90%。

【图文导读】

图1.钙钛矿晶体薄膜结构调控

通过在钙钛矿前驱体溶液中加入乙酰丙酮镓（GaAA₃），在旋涂和退火过程中，GaAA₃经异构化过程生成[GaAA₃]₄，并与钙钛矿晶粒形成核壳结构的晶体薄膜。

(a)GaAA₃与异构化的[GaAA₃]₄单晶结构示意图

(b)GaAA₃-MAI单晶结构示意图

(c)立方相的Cs_xFA_1-xPbI₃结构示意图

(d-f)核壳结构钙钛矿的HRTEM图像与傅里叶变换图像

图2.薄膜的水氧稳定性

Cs_xFA_1-xPbI₃-[GaAA₃]₄核壳结构的晶体薄膜提高了薄膜的疏水性，有效地抑制了水对钙钛矿薄膜的分解作用。

(a-c)水在不同掺杂浓度的钙钛矿薄膜上的接触角测试图

(d)钙钛矿薄膜稳定性测试结果图与测试原理图

图3.薄膜的荧光光谱测试

GaAA₃掺杂提高了薄膜的荧光强度和寿命，同时荧光发射峰位随浓度的提高发生蓝移，说明GaAA₃掺杂降低了钙钛矿薄膜的缺陷态密度。

(a)不同掺杂浓度的钙钛矿薄膜的稳态PL谱图

(b)不同掺杂浓度的钙钛矿薄膜的瞬态PL谱图

(c)不同掺杂浓度的钙钛矿薄膜的荧光寿命数值

(d-f)不同掺杂浓度的钙钛矿薄膜的荧光寿命mapping图

图4.器件的光伏特性

掺杂后的钙钛矿太阳能电池器件的最优效率达到18.24%，稳定化效率输出5h后仍然稳定在18%以上。器件在50%相对湿度的条件下，800h后仍能保持最初效率的90%。

(a)最优器件的J-V曲线与效率统计图

(b)最优器件对应的EQE与积分电流图

(c)最优器件的稳定化效率输出曲线图

(d)器件在50%相对湿度下的稳定性图

展望

该研究工作创新性地将GaAA₃与钙钛矿Cs_xFA_1-xPbI₃前驱体进行组装，通过原位生长获得了具有Cs_xFA_1-xPbI₃-[GaAA₃]₄核壳结构的钙钛矿晶体薄膜。异构化的乙酰丙酮镓([GaAA₃]₄)作为壳层极大地提高了钙钛矿晶粒的防水性，并且通过钝化钙钛矿晶界的缺陷态，有效的提高了电池器件在潮湿环境中的能量转换效率和稳定性。该研究对钙钛矿材料本体的结构进行调控，实现了器件稳定性的提高。为制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池提供了新的思路和方法，推进了钙钛矿的产业化进程。

参考文献

[1] Kojima A, Teshima K, Shirai Y, Miyasaka T, J. Am. Chem. Soc, 2009, 131, 6050

[2] Yang W S, Noh J H, Jeon N J, Kim Y C, Ryu S, Seo J, Seok S I. Science,2015, 348, 1234

[3] https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png.

文献链接：In situ induced core/shell stabilized hybrid perovskites via gallium(III) acetylacetonate intermediate towards highly efficient and stable solar cells （Energy Environ. Sci.，2018，DOI：10.1039/C7EE03113K） 

本文由暨南大学麦耀华老师团队提供。

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