冉晨鑫、陈永华&周欢萍 ACS Energy Letters : 晶面依赖的PbI2前驱体胶体特性调控及高效MAPbI3钙钛矿太阳能电池

【背景介绍】

采用溶液法制备钙钛矿薄膜时首先要制备前驱体溶液，因此前驱体溶液中胶体的性质直接决定了钙钛矿薄膜的性质。此前，文章中报道一些方法（例如，引入添加剂（如DMSO，乙腈、痕量H₂O）和改变前驱体化学计量比）能够通过调节前驱体溶液胶体特性，改善所制备的薄膜质量，进而提高器件的光电特性。然而，目前对改变胶体特性的主要决定因素和调控机理尚不清楚。

在使用钙钛矿的原材料配置前驱液时，实际上是胶体分散液，而不是解离的溶液。因此，原材料的特性应该对所形成的胶体特性有决定性产生影响。这也解释了为什么即使采用相同的溶液法制备钙钛矿薄膜，在不同的实验室也会得到不同的结果，这一部分原因是因为使用了不同的原材料(来自不同的生产商和/或不同批次的PbI₂材料)导致前驱体中胶体的不同特征。然而，人们对于原材料的晶体特性如何影响前驱体中胶体的性质、钙钛矿薄膜的质量以及最终器件的光伏性能等方面，知之甚少。这是由于目前对于PbI₂晶体的可控制备，研究人员并没有给予更多关注和研究。

【成果简介】

近日，西安交通大学冉晨鑫博士、南京工业大学陈永华教授和北京大学周欢萍教授（共同通讯作者）等人开发了一种晶面钝化策略来合成晶面比例、晶体尺寸可调的PbI₂ 材料。通过调节制备反应体系中乙酸含量，能够制备晶面比例和晶体尺寸可调的PbI₂材料。理论计算结果表明，晶面的控制是由于H⁺的浓度变化，使得PbI₂晶体不同晶面生长速度发生变化，最终实现PbI₂晶体形貌的调控。研究表明，采用具有不同形貌的PbI₂材料，我们能够实现对PbI₂胶体胶粒尺寸及其分布、PbI₂薄膜表面形貌及其结晶取向、以及相应的MAPbI₃钙钛矿薄膜光电性能的调控。相比于商用PbI₂材料，采用优化PbI₂为原料制备的钙钛矿太阳能电池器件的PCE 达到20.22%，并表现出更低的正扫-反扫迟滞效应。研究成果以题 “Facet-Dependent Control of PbI₂ Colloids for over 20% Efficient Perovskite Solar Cells” 发表在国际著名能源期刊ACS Energy Letters上。

【图文解析】

图1.

（a-j）不同乙酸含量下制备的PbI₂材料的SEM图。（k）随着乙酸含量的增加，PbI₂晶粒的形貌变化示意图。（l）不同PbI₂材料的XRD图。（m）随着乙酸含量增加，PbI₂材料XRD中（001）峰和（101）峰的强度对比。

图2.

PbI₂晶体的（a）（101）和（b）（001）晶面表面与H原子结合的理论计算结果。（c）在不同H⁺浓度下，H原子钝化对改变PbI₂晶体形貌的作用示意图。

图3.

(a) PbI₂溶解在DMF中形成的胶体分散液的照片。(b)胶体溶液的丁达尔效应(Tyndall effect)和(c)动态光散射（DLS）表征。采用(d) 5% S-PbI₂和(e) 80% S-PbI₂制备的PbI₂胶体和PbI₂薄膜形貌的原理图。(f-j)不同S-PbI₂样品制备的PbI₂薄膜的SEM图像，(k)晶粒尺寸分布和(l) XRD表征。

图4.

(a-e)不同S-PbI₂薄膜制备的MAPbI₃钙钛矿薄膜的SEM图像。(f) 5和(g) 80% S-PbI₂薄膜中PbI₂晶粒转化为MAPbI₃晶粒的原理图。(h) MAPbI₃膜的晶粒尺寸分布和(i) XRD图谱。

图5.

(a)以不同PbI₂为原料的PSCs的PCE分布。(b)基于10% S-PbI₂器件的EQE表征和JSC积分结构。(c)基于10% S-PbI₂制备的最佳电池器件的电流-电压曲线。(d)基于10% S-PbI₂的PSCs器件在在最大功率点(0.94 V)的功率输出稳定性。

【小结】

总之，研究人员开发了一种晶面钝化策略来合成晶面比例、晶体尺寸可调的PbI₂ 材料，并利用其可调特性，实现了对PbI₂溶液中PbI₂胶体特性的调控。研究表明，采用具有不同形貌的PbI₂材料，我们能够实现对PbI₂胶体胶粒尺寸及其分布、PbI₂薄膜表面形貌及其结晶取向、以及相应的MAPbI₃钙钛矿薄膜光电性能的调控。相比于商用PbI₂材料，采用优化PbI₂为原料制备的钙钛矿太阳能电池器件的PCE 达到20.22%，并表现出更低的正扫-反扫迟滞效应。因此，这一普世的晶面依赖性胶体工程策略为高质量钙钛矿薄膜的制备提供了一种重要的实用调控方法，对今后进一步提高PSCs的性能具有重要的前景。

文献链接：Facet-Dependent Control of PbI2 Colloids for over 20% Efficient Perovskite Solar Cells (ACS Energy Lett., 2019, 4, 358–367. DOI: 10.1021/acsenergylett.8b02262)

本文由西安交通大学冉晨鑫博士供稿，材料人编辑部编辑。

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