南京理工大学张树芳团队AEM: 基于2D MA3Bi2I9/3D MAPbI3异质结构的高效、稳定钙钛矿太阳能电池

引言

近年来，有机-无机金属卤化物钙钛矿材料由于其优异的光电性能，已成为下一代光伏器件最有希望的候选材料之一，其光电转换效率已经在短短几年内由最初的3.8%快速达到了22.7%。然而，钙钛矿材料在大气环境中的长期稳定性问题仍然是限制其进一步工业应用的致命弱点。另一方面，与传统的3D MAPbI₃钙钛矿纳米晶相比，类层状2D钙钛矿材料具有更高的稳定性，但相应的太阳能电池的效率偏低（PCE＜13%）。因此，在传统的3D MAPbI₃薄膜中的掺入类层状2D钙钛矿材料是一个合理的策略来实现钙钛矿电池在提高稳定性的同时保持较高的效率。然而，通常传统的2D钙钛矿材料结构中有一个大的烷基铵阳离子（比如PEA⁺、EDA⁺等），这些大的有机集团在薄膜中容易作为杂质影响电子输运，增加电子复合，从而最终影响器件的光伏性能。

成果简介

近日，南京理工大学张树芳团队通过使用在空气中具有高稳定性的小分子类层状结构材料MA₃Bi₂I₉，成功制备了具备独特结构的2D纳米片/3D纳米晶的异质结钙钛矿薄膜。在2D/3D异质结构的薄膜中，观察到疏水的2D MA₃Bi₂I₉均匀的散布在3D MAPbI₃颗粒之间，不仅实现对非辐射电荷重组的抑制，而且还大大提高了薄膜对空气湿气的耐受性。最终，具有最佳MA₃Bi₂I₉含量的太阳能电池不仅表现出了高达18.97%的功率转换效率，并且在稳定性方面也有显著的提高。相关成果以题为“Highly Efficient and Stable Solar Cells with 2D MA₃Bi₂I₉/3D MAPbI₃ Heterostructured Perovskites”在Advanced Energy Materials （AEM）杂志上发表。南京理工大学的博士研究生胡延强为论文第一作者，张树芳副教授为文章通讯作者。

图文导读

图1. 晶体结构及晶相

a）2D MA₃Bi₂I₉、3D MAPbI₃的晶体结构示意图。

b）3D MAPbI₃，2D MA₃Bi₂I₉以及不同比例的2D MA₃Bi₂I₉/3D MAPbI₃异质结钙钛矿前驱液及对应的薄膜照片。

c）3D MAPbI₃，2D MA₃Bi₂I₉以及不同比例的2D MA₃Bi₂I₉/3D MAPbI₃异质结钙钛矿薄膜的XRD图谱。

图2. 光学性能测试及薄膜形貌

a、b）3D MAPbI₃，2D MA₃Bi₂I₉以及不同比例的2D MA₃Bi₂I₉/3D MAPbI₃异质结钙钛矿薄膜的紫外-可见吸收、PL光谱。

c-e） 2D MA₃Bi₂I₉，3D MAPbI₃以及2D MA₃Bi₂I₉/3D MAPbI₃ (9.2%)异质结钙钛矿薄膜的SEM图像。

f-h） 2D MA₃Bi₂I₉，3D MAPbI₃以及2D MA₃Bi₂I₉/3D MAPbI₃ (9.2%)异质结钙钛矿薄膜的AFM图像。

图3.钙钛矿薄膜的结构组分研究

a）2D MA₃Bi₂I₉/3D MAPbI₃异质结钙钛矿薄膜的元素分布图。

b-e）钙钛矿薄膜的高分辨光电子能谱。

图4. 2D-3D钙钛矿异质结构对光电性能的影响及机制研究

a）钙钛矿薄膜在恒定光照条件下的阻抗谱。

b）钙钛矿薄膜的TRPL光谱。

c） 2D MA₃Bi₂I₉/3D MAPbI₃异质结的拟议电子带示意图。

图5.钙钛矿薄膜的稳定性测试

a、b）30%的湿度条件下，不同放置时间下钙钛矿薄膜的紫外-可见吸收谱变化。

c、d）湿度稳定性测试中，不同放置时间下钙钛矿薄膜的XRD图谱变化。

图6.钙钛矿太阳能电池的光伏性能研究

a、b）3D MAPbI₃、2D MA₃Bi₂I₉/3D MAPbI₃ (9.2%)异质结钙钛矿薄膜器件的横截面SEM图像。

c）钙钛矿电池器件的J-V曲线。

d）电池器件的IPCE谱图。

e）电池的稳定功率输出。

f）电池数作为PCE的函数的直方图。

图7.钙钛矿器件的稳定性测试

a、b）30%的湿度条件下，高性能非封装的太阳能电池器件的稳定性比较。

总结

该工作进一步表明，通过使用具有不同形状特征的钙钛矿材料构造独特异质结钙钛矿薄膜是制备高效、稳定的钙钛矿太阳能电池可行途径

第一作者简介

胡延强 博士研究生 方向：钙钛矿太阳能电池、忆阻器

通讯作者简介

张树芳 女 副教授 硕士生导师 南京理工大学材料科学与工程学院新能源材料研究团队负责人，从事光电材料和器件研究多年，具有扎实的理论基础和丰富的科研经验。从事与本项目非常相关的太阳能电池机理研究将近10年，熟练掌握高效率钙钛矿太阳电池和染料敏化太阳能电池的制备、测试技术和分析方法，深入了解电池中界面物质之间的相互关系以及电池重要光电转化过程的机理。研究工作主要集中在光电材料和器件的能量与电荷转移机理、器件性能分析和高效率器件设计上，研究结果分别发表在Energy and Environmental Science、Advanced Functional Materials等知名国际刊物上。

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