Adv. Energy Mater.：DMSO与二乙醚的协同作用，形成高重现性和高效率MA0.5FA0.5PbI3钙钛矿型太阳能电池

【引言】

近年来，卤化物钙钛矿材料已经成为推动太阳能电池领域的一场革命，因为它们提供了低成本和出众的光电性能。自2009年发明以来，钙钛矿太阳能电池（PSCs）的功率转换效率（PCE）在很短的时间内迅速攀升，这主要归功于高质量薄膜的沉积和钙钛矿材料的重大进展。甲基铵（MA⁺）、甲酰胺（FA⁺）、铯（Cs⁺）和铷（Rb ⁺）阳离子的结合，以及Cl、Br和I阴离子的结合，可以制造出高PCE PSCs。然而，这种成分工程也可以引起晶体结构和薄膜形态的重大变化，与光/场诱导的离子运动和元素分离，潜在地损害设备的长期运行稳定性。此外，结构越来越复杂，性能/稳定性结果难以复制，给合金化方法的重现性和规模化蒙上了阴影。简化钙钛矿的组成有可能从根本上解决这些问题。在这种情况下，由于更长的电荷扩散长度、更高的热稳定性和更接近理想PCE极限的带隙，纯α-FAPbI₃钙钛矿被认为是更好的选择。但是，FA⁺阳离子的半径较大，因此难以形成稳定、纯相的3D钙钛矿以及高质量薄膜。因此，合成高质量MA_1-xFA_xPbI₃薄膜的能力对于制造高PCE，简单组成的PSC至关重要。 但是，当x较大时，这很难实现，因为α-FAPbI₃经历了向“黄色”非钙钛矿过FAPbI₃的相变，由此产生的膜的结晶并不理想。反过来又限制了MA_1-xFA_xPbI₃薄膜的PSCs性能。

【成果简介】

近日，在瑞士洛桑联邦理工学院Mohammad Khaja Nazeeruddin教授团队等人（通讯作者）带领下，与美国布朗大学和丰田汽车公司合作，证明了通过二甲基亚砜和二乙醚的协同作用，利用溶剂介导的相变过程，将50%的甲酰胺（FA⁺）混入甲胺碘化铅（MAPbI₃）中，就能形成高结晶、稳定相和紧凑的多晶晶粒形态的钙钛矿，表现出较长的载流子寿命、较低的阱态密度，在纯碘化物、碱性-非金属的MA_0.5FA_0.5PbI₃钙钛矿基PSCs中，具有创纪录的21.8%的功率转换效率（PCE）。这些PSCs表现出非常高的工作稳定性，在1000小时1日照强度下，PCE保持率为85%。还展示了一个17.33%的PCE模块（6.5×7cm²），证明了这种器件的可扩展性。该成果以题为“The Synergism of DMSO and Diethyl Ether for Highly Reproducible and Efficient MA_0.5FA_0.5PbI₃ Perovskite Solar Cells”发表在了Adv. Energy Mater.上。

【图文导读】

图1 FA_0.5MA_0.5PbI₃钙钛矿薄膜的结构表征

图2 CB5和DE5薄膜的形貌表征

图3 CB5和DE5薄膜的光物理性质

图4 CB5和DE5器件的光伏性能

图5 DE5基钙钛矿太阳能电池的光电性能表征

【小结】

综上所述，所报道的具有最高认证效率的PSCs通常是基于碘化物钙钛矿和少量卤素掺杂剂（Br或Cl），或碱性金属掺杂剂（如Cs、Rb）。由于I/Br/Cl和有机阳离子/碱性金属中不可避免的光诱导元素分离问题，这可能会对设备的长期运行稳定性提出问题。在这项工作中，该团队简化了钙钛矿的组成，这有可能从根本上解决这些问题。证明了在纯-碘化物、碱性-非金属MA_0.5FA_0.5PbI₃钙钛矿基PSCs中，二乙醚作为溶剂中介体参与了钙钛矿薄膜的相变和结晶，其效率达到了创纪录的21.8%。总的来说，这项工作为生产高性能PSCs开辟了一条新途径，同时最大限度地减少卤素或碱金属掺杂物在实际应用中的使用。

文献链接：The Synergism of DMSO and Diethyl Ether for Highly Reproducible and Efficient MA_0.5FA_0.5PbI₃ Perovskite Solar Cells（Adv. Energy Mater.， 2020，DOI:10.1002/aenm.202001300）

本文由木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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