陕西师范大学刘生忠&赵奎Adv. Sci.:用于光伏的包含对称二铵离子的二维卤化物钙钛矿的有效相位对准

【引言】

有机和无机卤化物钙钛矿作为下一代光伏材料具有吸收系数高、载流子寿命长、载流子迁移率大、制备方法简单等优点。基于这种材料实现的光伏效率已超过25%，并正在逐步扩大规模。然而，3D 钙钛矿在暴露于湿气、热和光时的长期稳定性极差，这是其实际应用的致命缺点。提高其稳定性的常用方法包括界面工程、封装和探索新型光敏材料。近年来，基于 2D 有机金属卤化物钙钛矿的太阳能电池显示出良好的长期稳定性，并且效率不断提高，但仍落后于 3D 同类产品，部分原因是量子阱的量子限制和低载流子传输 (QW) 结构。

【成果简介】

由对称二铵阳离子稳定的新型 2D AA'_n-1MnX_3n+1 型卤化物钙钛矿由于其较短的层间距离和更好的电荷传输性能而在高性能太阳能电池 (PSC) 中引起了研究关注。然而，量子阱（QW）的分布控制及其对光电特性的影响在很大程度上尚未得到深入研究。陕西师范大学刘生忠&赵奎通过膜形成的动态控制报道了有效的相位对齐，以改善二维钙钛矿(BDA)(MA)_n-1Pb_nI_3n+1（BDA=1,4-丁二胺，<n> = 4）。原位光谱显示，在钙钛矿沉积过程中，通过添加剂的方法显着延长了结晶窗口。作者发现在垂直于基板的方向上 n 值更精细的厚度梯度导致 QW 之间更有效的电荷传输，并抑制了添加剂处理膜中的电荷耦合。结果实现了 14.4% 的功率转换效率，比未经添加剂处理的对照高 21%。此外，未经封装的器件在环境暴露 1200 小时后保留了其初始 PCE 的 92%。该成果以题为“Effective Phase-Alignment for 2D Halide Perovskites Incorporating Symmetric Diammonium Ion for Photovoltaics”发表在Adv. Sci.上。

【图文导读】

图1.二维钙钛矿 (BDA)(MA)_n-1Pb_nI_3n+1 (<n> = 4) 的太阳能电池结构和表征

a) 二维钙钛矿 (BDA)(MA)_n-1Pb_nI_3n+1(<n> = 4) 的太阳能电池结构和晶体结构b) 从每种类型的 50 个电池中确定的对照和优化（使用 6 mg/mL MACl）设备的 PCE 直方图 c) J-V 曲线 d) 用于控制和优化（6 mg/mL MACl）设备的 EQE 和集成 J_sc e) 控制和优化设备在环境条件下超过 80 秒的最大功率点跟踪下的稳定输出功率

图2.二维 (BDA)(MA)_n-1Pb_nI_3n+1 (<n>=4) 钙钛矿薄膜的表征

a,b) 使用和不使用 MACl 沉积过程中二维 (BDA)(MA)_n-1Pb_nI_3n+1 (<n>=4) 钙钛矿薄膜的原位紫外-可见吸收光谱 c) 有和没有 MACl 的 2D (BDA)(MA)_n-1Pb_nI_3n+1(<n>=4) 薄膜的结晶窗口 d-f) 对照和优化薄膜的平面扫描电子显微镜 (SEM) 图像、原子力显微镜 (AFM) 图像和横截面 SEM 图像 g-h) X 射线衍射 (XRD) 图案和具有各种添加剂浓度的薄膜的 (111) 衍射峰的 FWHM

图3.具有不同添加剂浓度的 2D (BDA)(MA)_n-1Pb_nI_3n+1(〈n〉=4) 钙钛矿薄膜的表征

a) 具有不同添加剂浓度的 2D (BDA)(MA)_n-1Pb_nI3_n+1(〈n〉=4) 钙钛矿薄膜的紫外可见吸收光谱 b) 具有不同添加剂浓度的 2D(BDA)(MA)_n-1Pb_nI_3n+1(〈n〉=4) 钙钛矿薄膜的稳态光致发光 (PL) c) 薄膜在不同延迟时间的瞬态吸收 (TA) 光谱 d) 在 t=1 ps 和 500 ps 时，顶部和底部激发下对照和优化（6 mg/mL MACl）薄膜的 TA 光谱 e) 根据延迟时间为 1 ps 的 TA 光谱估计，对照和优化（6 mg/mL MACl）薄膜中 QW 的组成 f) 来自前驱体的 (BDA)(MA)_n-1Pb_nI_3n+1 (n =1−∞) 材料的晶体形成能 g) 优化薄膜在底部激发下漂白恢复的归一化 TA 动力学 h) 系列薄膜体相的 TA 动力学 i) 具有不同添加剂浓度的薄膜的时间分辨光致发光 (TRPL) 光谱

图4.器件的结构与表征

a) 完整太阳能电池的器件结构b) 用于控制和优化薄膜的纯电子器件的暗 I-V 测量的比较 c) 不同 MACl 浓度薄膜的陷阱态密度和电子迁移率 d) 具有不同 MACl 浓度的器件的电阻抗谱 (EIS) 数据

图5.PCE表征

a) 未封装暴露于环境条件50 天的对照和优化设备的归一化 PCE b) 在惰性气氛中，在 80 °C 下加热 23 小时，相应非封装器件的归一化 PCE

【小结】

作者在理解和控制 QW 的形成及其对低 n (BDA)(MA)_n-1Pb_nI_3n+1 (〈n〉=4) 的相位对准和最终光电特性的影响方面取得了重要进展 系统。结果表明，MACl 添加剂显着延长了钙钛矿沉积过程中的结晶窗口。这为 QW 成核和生长提供了更多时间，从而导致更大的晶体尺寸、更少的陷阱形成和更精细的 QW 厚度分布梯度，这进一步促进了电荷转移和提取。最后，添加剂辅助太阳能电池的 PCE 达到 14.38%，这是 n ≤ 4 AA'_n-1M_nX_3n+1的高值之一。这些关于此类 2D 钙钛矿 QW 的薄膜形成和相位对准的重要发现为实现更高效和更稳定的光电器件铺平了道路。

文献链接：Effective Phase-Alignment for 2D Halide Perovskites Incorporating Symmetric Diammonium Ion for Photovoltaics. Adv. Sci., 2021, DOI:10.1002/advs.202001433

本文由材料人学术组tt供稿，材料牛整理编辑。