大连理工大学Solar RRL封面:组分调控实现高效稳定二维钙钛矿太阳能电池

youyoucao 4年前 (2021-05-13) 2737浏览

第一作者：魏一

通讯作者：赵纪军

通讯单位：大连理工大学

一、PSC亟待解决的关键问题

钙钛矿太阳能电池已成为最有前途的下一代太阳能电池的候选者之一。然而，在提高电池的光电转换效率的同时，它们的不稳定性对实际应用仍然是一个挑战。

二、成果简介

与三维钙钛矿相比，二维Ruddlesden-Popper（2D-RP）钙钛矿太阳能电池可以通过调控钙钛矿层组分及空间阳离子，从而提供更丰富的材料特性和更适用于器件的光电性质。鉴于此，大连理工大学物理学院赵纪军教授课题组通过对准二维Ruddlesden-Popper（2D-RP）相钙钛矿材料的有机组成进行调整，制备出基于Formamidinium(FA)和4-fluorophenethylammonium(FPEA)有机阳离子的电池，同时提高了电池的效率及稳定性，最高效率可达到16.15%，未封装电池在室内环境30-70%湿度下经过2112小时仍可保持95%的初始效率！该工作受邀以封面文章“Compositionally Designed 2D Ruddlesden–Popper Perovskites for Efficient and Stable Solar Cells”发表于wiley旗下知名能源类期刊Solar RRL，文章的第一作者为魏一副教授。

三、结果与讨论

要点1：FPEA-FA薄膜的优越性

在对2D-RPP（(RNH3)2An-1MnX3n+1(n=1, 2, 3…)）结构有机基团调控中，我们用FA取代了传统的MA（methylammonium），即(FPEA)2(FA)n-1PbnI3n+1，系统地对组分比例n=9的电池进行了器件研究。为了更好地阐明间隔材料“R”和“A”对材料性能的影响，同时制备了对照组PEA（phenethylammonium）和FPEA n=9的MA基类似物，由此产生的四种钙钛矿对照组电池，简称为“FPEA-FA”、“PEA-FA”、“FPEA-MA”和“PEA-MA”。工作深入探讨了FPEA、PEA、MA和FA离子对薄膜表面形貌、晶体结构的影响。所研究的四种钙钛矿薄膜的x射线衍射(XRD)图如图1所示。两个主要的衍射峰在14°和28°对应于(111)和(202)晶格面， FPEA-FA的衍射峰强度远远强于其他三种钙钛矿，表明其优越的结晶性。另外FPEA-FA中(202)晶面所占比例最大，说明该晶体中沿面外方向垂直生长的比例较大。同时我们得出(111)的半峰宽(FWHM)，FPEA-FA结果最小，再次强调了FPEA-FA的高结晶度。

图1 不同组分的钙钛矿薄膜XRD图

在后续对FPEA-FA薄膜的研究中，我们对其进行了SEM，AFM形貌测试，吸收谱和光致发光光谱测试，结果显示FPEA-FA薄膜具有更平滑致密的表面形貌，更宽的光吸收范围，极大地提升了光生电流，时间分辨光致发光和空间电荷限制电流测试结果显示，FPEA-FA具有更低的缺陷态密度和更长的载流子扩散长度，更有利于电子传输。

图2 不同组分的钙钛矿薄膜吸收谱图以及光致发光图，时间分辨光致发光图，缺陷态密度测试图，SEM，AFM图

要点2：不同2D-RP组分钙钛矿太阳能电池的性能以及稳定性

图3 不同2D-RP组分的PV性能

图4 不同2D-RP组分的稳定性

通过工艺优化，基于(FPEA)2(FA)8Pb9I28的太阳能电池最高效率达到了16.15%，开路电压Voc达到1.07eV，电流密度Jsc达到20.88mAcm-2。值得注意的是，所选阳离子组成的薄膜在晶体质量方面表现出了极大的增强，(FPEA)2(FA)8Pb9I28薄膜表现出非常优越的热稳定性和湿稳定性，可以在30%-70%的湿度环境下，经历2112小时依旧可以保持95%的初始性能，远远超过了已报道的多种二维钙钛矿电池。

这一研究表明，2D-RPPs可以通过选取有机基团进行组分调控，不仅提高了钙钛矿电池的湿、热稳定性，同时还能提升电池的电学性能。在实际应用中，对于可能出现的高温、高湿自然环境，这种二维钙钛矿电池无疑更具有优势。该实验结果为未来钙钛矿电池的商业化应用带来了新思路。

四、参考文献

论文原文：

Wei, Y., Chen, B., Zhang, F., Tian, Y., Yang, X., Cai, B. and Zhao, J. (2021), Compositionally Designed 2D Ruddlesden–Popper Perovskites for Efficient and Stable Solar Cells.Sol.RRL,5:2170041.

https://doi.org/10.1002/solr.202170041

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/solr.202170041

第一作者、通讯作者介绍：

魏一：

http://faculty.dlut.edu.cn/wy/zh_CN/index.htm

赵纪军：

http://faculty.dlut.edu.cn/zhaojj/zh_CN/index.htm

本文由作者投稿。

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