南京工业大学黄维院士团队Research：基于一步协同生长钙钛矿的高效太阳能电池

【成果简介】

近日，南京工业大学黄维院士团队报道了使用不同的由-C=O和-NH₂基团组成的尿素衍生物作为添加剂以制备钙钛矿薄膜的方法，并研究了它们对钙钛矿晶体生长和器件性能的影响。作者通过对添加剂化学结构和添加剂组合的精心选择，成功制备了内部及表面协同生长的钙钛矿薄膜，并同时钝化了钙钛矿的本体缺陷和界面缺陷，取得了结晶质量和界面电荷传输能力协同提升的钙钛矿薄膜。最终，作者基于结构为ITO/NiO/MAPbI₃/PC₆₁BM/Ag的倒置钙钛矿太阳能电池器件，取得了21%以上的光电转换效率和长时间运行稳定性的提升。研究成果以题为“All-in-One Deposition to Synergistically Manipulate Perovskite Growth for High-Performance Solar Cell”发布在国际著名期刊Research上，文章的第一作者为吕宜璠博士，共同通讯作者为张辉研究员、安众福教授和黄维院士。

【图文解析】

图1:添加剂与钙钛矿前驱体的相互作用：(a)urea、biuret和triuret的化学结构。(b) MAI, MAI+PbI₂+biuret, MAI+biuret, PbI₂+biuret, biuret的¹H NMR谱。(c) MAPbI₃钙钛矿晶体在biuret添加剂帮助下的生长示意图，(I)将biuret与钙钛矿前驱体混合，(II)前驱体与添加剂形成PbI₂ -biuret- MAI络合物，(III)添加剂吸附在晶核周围，持续吸引游离单体(MAI, PbI₂)加速晶体生长，(IV)形成大晶粒钙钛矿并在晶界处残留添加剂。

图2:基于不同添加剂制备的钙钛矿薄膜表征。(a) X射线衍射(XRD)光谱。(b)荧光光谱。(c)时间分辨荧光光谱。(d)荧光量子效率。(e-h)扫描电子显微镜(SEM)图像与荧光显微镜照片。(i) 掺杂不同添加剂的钙钛矿薄膜的Pb 4f_7/2光电子能谱。(j)掺杂不同添加剂的钙钛矿薄膜的N 1s光电子能谱。

图3:器件结构与光电性能。(a)倒置钙钛矿太阳能电池的器件结构(玻璃/ ITO / NiO /MAPbI₃ / PC₆₁BM / Ag)。(b)基于不同添加剂制备的器件的电流密度-电压(J-V)曲线和(c)外部量子效率(EQE)谱。(d-g)基于不同添加剂制备的器件在低温热退火条件下的开路电压(V_OC)、短路电流密度(J_SC)、填充因子(FF)和光电转换效率(PCE)的统计偏差研究了(每种类型15个器件)。

图4:基于biuret/triuret混合添加剂的钙钛矿器件的性能研究。(a)最优器件的J-V曲线和(b)EQE谱。(c)基于biuret/triuret混合添加剂的器件的效率分布柱状图。(d)最优器件和标准器件的20小时稳态输出效率(SPO)对比。(e, f)基于biuret/triuret混合添加剂制备的钙钛矿薄膜的上表面SEM和横截面SEM照片。(g)添加剂对(FAPbI₃)_0.85(MAPbBr₃)_0.15与CsPbI₂Br钙钛矿器件的光伏性能影响。(器件结构分别为ITO/PTAA/(FAPbI₃)_0.85(MAPbBr₃)_0.15/PC₆₁BM/Ag和ITO/NiO/CsPbI₂Br/PC₆₁BM/Ag。)

【小结】

为钝化钙钛矿太阳能电池中的缺陷，提升器件效率，作者在钙钛矿前驱体中加入了少量urea、biuret、triuret等urea衍生物作为添加剂。作者发现添加剂工程是简化制备工艺、提高器件性能的有效途径。该策略可应用于不同类型的钙钛矿，如MAPbI₃、混合钙钛矿或全无机钙钛矿。虽然添加剂都是尿素衍生物，但其作用机理不同，例如，由于urea和biuret中的-C=O和-NH₃基团与PbI₂和MAI之间存在相互作用力，这有利于大颗粒晶体的生长，同时，残余的urea和biuret能进一步钝化钙钛矿中的缺陷，减少载流子复合。相反，triuret则更易于在钙钛矿表面聚集和吸附钙钛矿，形成树枝状钙钛矿中间层，这有利于电子从钙钛矿向电子传输层的传递和提升器件效率。作者通过合理地结合biuret和triuret两种添加剂，可以从两种添加剂中获得协同作用，协同地提升器件性能，因此，作者在倒置钙钛矿太阳能电池中取得了效率高达21.6%的器件,同时,器件的稳定性得到了提升。总之，该工作提出的添加剂协同工程将为制造高性能、稳定钙钛矿太阳能电池提供一种便捷、有效的方法。

文献链接：All-in-One Deposition to Synergistically Manipulate Perovskite Growth for High-Performance Solar Cell (Research, 2020, DOI: 10.34133/2020/2763409)

本文由作者团队供稿。