Adv. Mater.: 通过低压蒸气辅助溶液法制备高效率2D/3D杂化钙钛矿太阳能电池

【引言】

有机-无机杂化钙钛矿材料因其高吸收系数、宽光谱吸收范围、优异的载流子传输性能及大介电常数和低激子结合能等优越特性而使其在光电转换应用领域受到极大关注。当前实验室已验证的小面积钙钛矿太阳能电池的最高效率为22.7%，可以与无机单晶硅太阳能电池效率相媲美，展现出巨大的应用前景。然而有机-无机杂化钙钛矿材料和器件在潮湿、热和光照条件下不稳定，限制了其商业化应用。采用具有强稳定性的二维（2D）层状结构的钙钛矿与典型的三维（3D）结构钙钛矿相结合的方法，可以缓解器件性能的衰减，提高其稳定性。然而，目前基于该方法制备的2D/3D杂化钙钛矿太阳能电池的效率并不高，落后于纯3D结构钙钛矿（MAPbI3）太阳能电池的效率。因此，开发出一种可同时实现高效率和高稳定性的2D/3D杂化钙钛矿太阳能电池的方法是非常有必要的。

【成果简介】

近日，中国台湾国立成功大学陈昭宇教授和郭宗枋教授（共同通讯作者）团队首次采用低压蒸气辅助溶液加工法制备了2D/3D有机金属卤素钙钛矿。具体方法为将苯基乙基碘化铵（PEAI）掺杂的碘化铅（PbI2）基底与放置在低压加热炉里的甲基碘化铵（MAI）蒸气反应。扫描电子显微镜图像和开尔文探针力显微镜图谱表明含PEAI的2D钙钛矿大晶粒围绕在3D MAPbI₃钙钛矿晶粒周围，有利于MAPbI₃晶粒生长。PEAI的掺杂比例对晶体结构、表面形貌、晶粒尺寸、紫外-可见吸收和光致发光光谱以及器件性能有着重要的影响。当PEAI/PbI₂ = 0.05时，2D/3D有机金属卤素钙钛矿器件光电转换效率最高为19.10%，填充因子高达80.36%，器件稳定性也得到改善。相关研究成果以 “Highly Efficient 2D/3D Hybrid Perovskite Solar Cells via Low-Pressure Vapor-Assisted Solution Process” 为题发表在Adv. Mater.上。
 
【图文导读】

图1 PEAI掺杂的PbI₂薄膜的X射线衍射（XRD）和掠入射广角X射线散射（GIWAXS）

(a): PEAI掺杂的PbI₂薄膜的XRD图；
(b-g): PEAI掺杂的PbI₂薄膜的GIWAXS图，面外和面内的散射矢量分量分别定义为qz和qr。

图2 PEAI掺杂的钙钛矿薄膜的X射线衍射（XRD）和掠入射广角X射线散射（GIWAXS）

(a): PEAI掺杂的钙钛矿薄膜的XRD图；
(b): 介孔二氧化钛的GIWAXS图；
(c-g): PEAI掺杂的钙钛矿薄膜的GIWAXS图。

图3 PEAI掺杂的钙钛矿薄膜的光学表征

(a): PEAI掺杂的钙钛矿薄膜的紫外-可见光吸收光谱；
(b): PEAI掺杂的钙钛矿薄膜的PL光谱，插图为归一化的PL光谱；
(c): PEAI/PbI₂=1, 3, 4在MAI蒸气辅助下与PEAI/PbI₂=2无MAI蒸气辅助的钙钛矿薄膜的放大PL光谱；
(d): PEAI/PbI₂=4在不同位置MAI蒸气辅助下的钙钛矿薄膜的PL光谱。

图4 PEAI掺杂的钙钛矿薄膜的SEM

图5 PEAI掺杂的钙钛矿薄膜的表面电位和形貌
(a, d): PEAI掺杂的钙钛矿（PEAI/PbI₂=2）薄膜的表面电位和相应的形貌图；
(b, e): PEAI掺杂的钙钛矿（PEAI/PbI₂=0.05）薄膜的表面电位和相应的形貌图；
(c, f): MAPbI₃薄膜的表面电位和相应的形貌图。
（所有的样品沉积于覆盖在FTO基底的介孔氧化铝上面。）
 
图6 PEAI掺杂的钙钛矿薄膜的近边X射线吸收精细结构（NEXAFS）谱

图7 PEAI掺杂的钙钛矿太阳能电池性能

(a): 不同PEAI掺杂量的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率；
(b): 不同PEAI掺杂量的钙钛矿太阳能电池的J-V曲线；
(c): PEAI/PbI₂=0.05与MAI蒸气的反应不同时间的钙钛矿器件的J-V曲线；
(d): 不同PEAI掺杂PbI₂（PEAI/PbI₂=0.05）浓度与MAI蒸汽反应2 h的器件的J-V曲线。

图8 2D和3D钙钛矿的组成演变图解

【小结】

研究人员成功采用低压蒸气辅助溶液加工法制备了2D/3D杂化钙钛矿，XRD, GIWAXS, SEM和KPFM等表征手段证实了2D/3D杂化钙钛矿晶体的形成，并证实PEAI的掺杂有利于改善MAPbI₃晶粒生长。因此，基于该2D/3D杂化钙钛矿的太阳能电池取得了19.10%的光电转换效率，该研究提供了一种实现高效率的2D/3D杂化钙钛矿的太阳能电池的新的制备方法。

文献链接： Highly Efficient 2D/3D Hybrid Perovskite Solar Cells via Low-Pressure Vapor-Assisted Solution Process (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201801401)

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