太原理工大学郝玉英和郝阳团队：二维半导体MoSe2纳米片提高钙钛矿太阳能电池性能

背景介绍

近年来，基于过程可控且可重复，易于形成垂直柱状颗粒，可以制备更厚的钙钛矿(PVK)吸收体，更适合规模化生产的两步法制备的n-i-p型钙钛矿太阳能电池(PSCs)实现了25%以上的认证效率。然而，通常溶解在二甲基甲酰胺(DMF)溶液中的碘化铅(Pbl₂)倾向于在基底上形成层状致密膜，这不利于PbI₂与FAI/MAI的反应，从而导致PbI₂残留。残留的PbI₂容易产生Pb⁰缺陷，Pb⁰缺陷作为非辐射复合中心，阻碍电荷提取，最终导致PSCs的开路电压(Voc)和填充因子(FF)亏缺 。此外，在两步工艺的第一步中，最终PVK薄膜的形态强烈依赖于最初形成的PbI₂薄膜的形态和结晶。在致密PbI₂薄膜上制备的PVK薄膜往往结晶质量差，晶粒尺寸小，缺陷较多。此外，由于钙钛矿与电子传输层(ETL)衬底之间的热膨胀(CTE)系数不匹配，导致PVK薄膜与衬底在退火过程中体积收缩差异而产生的残余拉伸应力，从而降低离子迁移的活化能，阻碍电荷的传输和提取，降低器件的性能和稳定性。因此，促进PbI₂完全转化，对PVK薄膜形貌和结晶性进行改善，释放残余拉伸应力，同时对钙钛矿能级进行调控。对于两步法制备PSCs的发展至关重要。

成果简介

近日，太原理工大学郝阳和郝玉英（共同通讯作者）等人报道了他们通过将纯相的二维半导体MoSe₂纳米片作为添加剂引入PbI₂前驱体溶液中，达到了提高Pbl₂转化率，改善PVK薄膜形貌和结晶性，同时降低残余应力，调控PVK能级的效果。作者发现二维半导体MoSe₂纳米片起到了干扰了PbI₂的定向生长的作用，导致晶粒随机堆积，形成了多孔PbI₂薄膜。低结晶度的多孔PbI₂薄膜可为FAI/MAI提供良好的扩散通道,有助于PbI₂完全转化，很大程度上消除了PbI₂残留，增加了PVK的晶粒尺寸和结晶度。另一方面，位于PVK层底部的MoSe₂纳米片可以释放PVK在热退火过程中形成的残余应力，并实现更匹配的界面能级排列。结果表明，添加二维MoSe₂ 纳米片的PSCs的平均光电转换效率（PCE）由标准器件的19.40%提高到21.76%，最优PCE达到22.80%。同时，MoSe₂纳米片掺杂的PSCs稳定性也得到了提升。研究成果以题为“Pure 2H Phase MoSe₂ Nanosheets Promote Formation of Porous PbI₂ Film and Modulate Residual Stress for Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells”发布在期刊Journal of Materials Chemistry C上。

图文解读

图1 二维半导体MoSe₂纳米片形貌与性能的表征

图2 二维半导体MoSe₂纳米片掺杂制备碘化铅薄膜流程图及对碘化铅薄膜的影响

图3 二维半导体MoSe₂纳米片掺杂对钙钛矿薄膜形貌的影响及残余拉伸应力的释放

图4 二维半导体MoSe₂纳米片掺杂对钙钛矿能级的影响

图5 二维半导体MoSe₂纳米片掺杂对器件性能的影响

图6 二维半导体MoSe₂纳米片掺杂前后钙钛矿太阳能电池各种电学和稳定性表征

小结

作者利用SEM，AFM, XRD等表征手段揭示了MoSe₂纳米片如何影响PbI₂薄膜的形貌。得益于多孔PbI₂薄膜的形成，PVK薄膜的形貌与结晶性也发生了变化。作者发现MoSe₂纳米片掺杂的PVK薄膜具有更好的结晶性以及更大的晶粒尺寸，这些特性有效抑制了非辐射复合，提高了开路电压；此外，利用EDS，GIXRD及UPS等测试证明分布在PVK薄膜底部的MoSe₂纳米片可以在ETL和PVK薄膜之间起到“润滑剂”的作用，显著降低界面拉伸应变。同时，MoSe₂纳米片掺杂改善了界面能级匹配，PVK/传输层界面处更好的能级匹配有利于电荷提取，减少电荷复合损失，因此可以获得更高的Voc和Jsc。作者最后进行了一系列电学表征，结果表明MoSe₂纳米片的掺杂对器件的载流子复合有明显的抑制作用。并且，能够有效地降低器件的陷阱态密度。另外，器件在未封装情况下暴露在N₂环境中测试的稳定性曲线表明了MoSe₂纳米片掺杂也可以提高器件的稳定性。综上所述，本工作为合理设计PbI₂和PVK薄膜的微观结构提供了一种可靠的技术，为两步法实现高效稳定的PSCs提供了一种新的方法。

文献链接

Pure 2H Phase MoSe₂ Nanosheets Promote Formation of Porous PbI₂ Film and Modulate Residual Stress for Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells, Journal of Materials Chemistry C，2023，DOI: 10.1039/D3TC01076G.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/tc/d3tc01076g/unauth

本文由作者供稿