电子科技大学刘明侦教授团队iScience：揭示水解产物DMAPbI3性质及 对钙钛矿太阳能电池的影响

【引言】

全无机钙钛矿太阳能电池（PSCs）相比于杂化钙钛矿太阳能电池由于其优越的热稳定性受到了越来越多的科研工作者的关注。立方相（α相）无机CsPbI₃钙钛矿由于其1.73eV的宽带隙，成为了叠层太阳能电池顶部电池的理想吸收层材料。但是，由于α-CsPbI₃在室温下易发生相转变，导致其光电转换效率大幅下降。为解决这一问题，使用溶液法合成所谓的前驱体‘HPbI₃’来替代PbI₂，辅助调节结晶过程从而抑制室温相转变成为了一种常用的方法，但对这一方法背后的机理仍处于争论之中。

【成果简介】

近日，电子科技大学刘明侦教授团队进一步探索了合成所谓‘HPbI₃’这一方法的机理。他（她）们将氢碘酸（HI）溶液加入溶解有碘化铅（PbI₂）的二甲基甲酰胺（DMF）溶液中，利用常规方法合成了被普遍认为是‘HPbI₃’的前驱体材料。通过详细的表征阐明了目前对该材料可能存在的认识误区，并讨论了其产物对钙钛矿薄膜及太阳能电池器件性能的影响。

在论文中作者利用一系列表征方法（原位热重-傅里叶红外光谱联用分析（in-situ TG-FTIR）、核磁共振氢谱（¹H-NMR）等）深入分析了产物的组成成分以及内部有机物的分子结构。结果表明粉末产物中含有溶剂DMF在酸性条件下的水解产物二甲基胺碘盐（(CH₃)₂NH₂I，简称DMAI）,这一水解产物可与PbI₂反应最终形成DMAPbI₃晶体（而非常规认识的‘HPbI₃’）。通过进一步分析DMAPbI₃在钙钛矿薄膜结晶过程的反应机理，研究了DMAPbI₃的含量对钙钛矿薄膜形貌、缺陷态密度、稳定性以及器件光电性能的影响，最终制备出稳定高效的Cs_xDMA_1-xPbI₃钙钛矿太阳能电池。相关的研究成果以题为“Unveiling property of hydrolysis-derived DMAPbI₃ for perovskite devices: composition engineering, defect mitigation, and stability optimization” 发表在Cell出版社iScience期刊上。

电子科技大学材料与能源学院为论文第一单位，刘明侦教授为通讯作者。

【图文简介】

1.DMAPbI₃粉末的合成和表征

（A）DMAPbI₃粉末合成示意图。（B）粉末XRD图谱。（C）和（D）不同放大倍数下的SEM样貌。（E-H）EDX-mapping图像。N、Pb、I元素的分布

2.DMAPbI₃组成结构：官能团和分子结构的分析

（A）FTIR谱。N-H，C-H振动吸收峰。（B）TG-DTG曲线，(CH₃)₂NH₂I，PbI₂两种分解产物的含量分析。（C）三维原位TG-FTIR谱，加热分解过程中的有机分子的红外吸收，温度范围：200-440 ^oC。（D和E）某一温度截面下的FTIR吸收光谱。（F）¹H-NMR谱，C、N键上的H的个数和化学环境

3.Cs_xDMA_1-xPbI₃（Cs-0.3/0.5/0.7/0.9）不同Cs含量的钙钛矿薄膜的制备过程和表征分析

（A）钙钛矿薄膜制备过程示意图。（B）随着Cs含量变化的XRD图谱。（C）Cs-0.5粉末样品溶于DMSO-d₆溶液的¹H-NMR谱，含有(CH₃)₂NH₂⁺有机成分。（D）不同Cs含量下的SEM形貌。（E）Cs含量的变化与薄膜稳定性关系测试的光学照片。

4.Cs_xDMA_1-xPbI₃不同Cs含量的钙钛矿薄膜的缺陷态的研究

（A-D）空间电荷限制电流法测试不同Cs含量薄膜的缺陷态密度。（E）PL谱。（F）TR-PL谱。随着Cs含量的增加，薄膜中的缺陷态先减少后逐渐增加

5.Cs_xDMA_1-xPbI₃钙钛矿太阳能电池的光伏性能

（A）不同Cs含量器件的J-V曲线。（B）Cs含量对效率的影响。（C）最佳器件的J-V曲线；（D）最大功率点输出电流和光电转换效率。（E）外量子效率（EQE）谱。（F）稳定性测试。

【小结】

综上所述，作者深入透彻地分析了水解产物DMAPbI₃，研究了这一产物对制备高质量钙钛矿太阳能电池的影响。通过一系列深入分析DMAPbI₃组成成分和性质分析，确定了在传统的制备过程中（将HI溶液加入溶解有PbI₂的DMF溶液中），溶剂DMF会在酸性条件下水解产生DMAI，并与PbI₂作用，最终形成DMAPbI₃晶体。作者通过调控前驱体溶液中CsI与DMAPbI₃的比例，得到了均匀性高和缺陷态密度低的Cs_xDMA_1-xPbI₃钙钛矿薄膜，其光伏器件最终获得14.3%的光电转换效率。这一工作为溶剂DMF在酸性条件下会发生水解并对反应产物会造成影响提供了新的理解视角，为进一步深入理解钙钛矿电池的发展提供了新的思路。

论文链接：Unveiling Property of Hydrolysis-Derived DMAPbI₃ for Perovskite Devices: Composition Engineer, Defect Mitigate, and stability Optimization (iScience, 15, 165-172, (2019), DOI: http://doi.org/10.1016/j.isci.2019.04.024)

本文由电子科技大学刘明侦教授团队供稿。

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