暨南大学麦耀华团队Adv. Energy Mater.：具有热力学自修复功能的1D-3D钙钛矿太阳电池

引言

 近年来，有机无机杂化钙钛矿太阳电池发展迅速，其光电转换效率已经在短短几年内已经达到了22.7%^[1-3]。但是该类电池在受热条件下离子迁移诱导的效率稳定性降低等问题限制了其大规模产业化应用。

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“Thermodynamically Self-healing 1D-3D Hybrid Perovskite Solar Cells”在Advanced Energy Materials（AEM）杂志上发表。暨南大学范建东教授和硕士生马云平为共同第一作者，李闻哲副研究员和麦耀华教授为文章共同通讯作者。

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

该研究工作获得了具有1D-3D复合钙钛矿结构的晶体薄膜，实现了器件热力学自修复功能。在55%相对湿度的环境下85 ^oC老化15h，器件在25min内可以恢复到初始效率的95%以上，在5个老化循环后器件效率的保持率在90%以上。

图文导读

图1.1D-3D钙钛矿薄膜成膜动力学研究

将1-(2-吡啶基)-1H-吡唑 (PZPY)与钙钛矿(Cs_0.04MA_0.16FA_0.8PbI_0.85Br_0.15)前驱体进行组装，首先生成1D PbI₂-FAI-PZPY中间态和1D PbBr2-PZPY中间态。经过退火处理，最终获得了具有1D PbI₂-FAI-PZPY和1D PbBr2-PZPY的1D-3D复合钙钛矿结构的晶体薄膜。

(a)单晶计算得到的PbBr2-PZPY 、PbI₂-FAI-PZPY的XRD以及1D-3D钙钛矿薄膜及其中间态的XRD

(b)PbI₂-FAI-PZPY向PbI₂-PZPY转换的热动力学过程

(c) PbBr₂-PZPY单晶结构示意图

(d) PbI₂-PZPY单晶结构示意图

图2.钙钛矿薄膜异质结构研究

    通过HRTEM图像分析，展示了1D-3D钙钛矿异质结构，并阐明了1D-3D钙钛矿自组装原理图。

(a)(100)面的PbBr₂-PZPY单晶结构示意图

(b)(001)面的PbI₂-FAI-PZPY单晶结构示意图

(c)1D-3D钙钛矿的HRTEM图像与傅里叶变换图像

(d)(e) 与图(a)(b)对应的1D钙钛矿中的[PbX₆]^4- 八面体连接示意图

(f) 1D-3D钙钛矿薄膜自组装原理图

图3 钙钛矿薄膜缺陷态研究

   PZPY的引入在1D-3D钙钛矿异质界面处降低了薄膜的电子和空穴缺陷态密度。同时，耗尽区的增大加速了载流子的传输，减少了载流子的复合。

(a)(b) 暗态条件下的I-V曲线

(c) Mott–Schottky 图

(d) 器件的V_OC衰减曲线

图4 钙钛矿太阳电池光伏特性研究

   掺杂后的钙钛矿器件最优效率达到了18.1%，并实现了器件的热力学自修复功能。在50%相对湿度的环境下85^ºC老化15h，器件在25min内可以恢复到初始效率的95%以上，在5个老化循环后器件效率的保持率在90%以上。

(a)最优器件的J-V曲线与外量子效率和积分电流图

(b)最优器件的稳定化效率输出图

(c)器件在85^ºC温度条件与55%相对湿度条件下的稳定性图

(d)器件在85^ºC温度条件与55%相对湿度条件下的老化循环图

展望

该研究工作将1-(2-吡啶基)-1H-吡唑 (PZPY)与钙钛矿(Cs_0.04MA_0.16FA_0.8PbI_0.85Br_0.15)前驱体进行组装，原位生长获得了具有1D-3D复合钙钛矿结构的晶体薄膜。对复合薄膜的生长机制以及异质界面结构进行了深入研究。由于1D钙钛矿中链状[PbX₆]^4-（X为I或者Br）热力学稳定性和结构柔韧性，因此，1D钙钛矿材料的引入，不仅降低而且可以封锁3D钙钛矿中A位离子负面迁移的通道，抑制了钙钛矿因A位离子大范围迁移所造成的不可逆降解，实现了器件的热力学自修复功能。1D-3D复合钙钛矿太阳电池在55%相对湿度的环境下85 ^oC老化15h，器件在25min内可以恢复到初始效率的95%以上，在5个老化循环后器件效率的保持率在90%以上，稳定性相比传统的3D钙钛矿电池有了大幅度的提高。该研究有效地提高了器件的热稳定性，并为制备高效、稳定的钙钛矿太阳电池提供了新的思路和方法，有助于推进该技术的产业化进程。

参考文献

[1] J. Burschka, N. Pellet, S.-J. Moon, R. Humphry-Baker, P. Gao, M. K. Nazeeruddin
and M. Gratzel, Nature 2013, 499, 316-319.

[2] W. S. Yang, B.-W. Park, E. H. Jung, N. J. Jeon, Y. C. Kim, D. U. Lee, S. S. Shin, J.
Seo, E. K. Kim, J. H. Noh and S. I. Seok, Science 2017, 356, 1376-1379.

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

文章链接：Thermodynamically Self-Healing 1D–3D Hybrid Perovskite Solar Cells （Adv. Energy Mater.，2018，DOI：10.1002/aenm.201703421）

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