北理工AM: 构筑高厚度低缺陷平面异质结钙钛矿电池

【引言】

近年来，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因其效率高、成本低而受到广泛专注其中，如何构筑高厚度低缺陷的钙钛矿异质结是未来钙钛矿太阳能电池商业化的研究重点，因为这直接影响钙钛矿电池的良品率和工艺成本。

【成果简介】

近日，《先进材料》（Advanced Materials）在线发表了北京理工大学陈棋教授课题组与北京大学周欢萍教授课题组关于钙钛矿太阳能电池的联合研究成果，该论文题为“Chemical Reduction of Intrinsic Defects in Thicker Heterojunction Planar Perovskite Solar Cells”，(DOI: 10.1002/adma.201606774)，文章第一作者为刘宗豪博士。

【本文亮点】

陈棋和周欢萍教授课题组的研究人员通过在钙钛矿前驱体溶液中引入已经商业化的廉价甲胺乙醇溶液作为添加剂，制备出了高品质的钙钛矿薄膜（厚度达到600纳米以上）和相关器件。实验发现：1）甲胺乙醇溶液的引入能够有效抑制碘单质的生成，避免其对器件性能的不良影响，而且大大提高了对前驱体物料比的精确控制；2）甲胺乙醇添加剂还能够通过配位作用调控钙钛矿前驱体溶液的胶体颗粒大小，降低多碘-铅配合物的浓度，进而影响钙钛矿薄膜的成膜过程及薄膜质量；3）一定量的甲胺乙醇添加剂还能够降低结晶过程中的成核速率，有效促进钙钛矿晶粒的长大，消除晶界对器件性能的不利影响。相较于参比样品，基于甲胺乙醇添加剂的钙钛矿薄膜具有较长的荧光寿命（511.9 ns vs. 271.4 ns）、较低的能量带边电子排布无序性（乌尔巴赫能，21.4 eV vs. 24.7 eV）和较长的自旋寿命（31 ps， 14K），其缺陷密度降低到原来的十分之一（1.5×10¹⁵ cm^-3 vs.1.38×10¹⁶ cm^-3）。通过这一简单的方法，基于厚度为650 nm的高质量薄膜的钙钛矿太阳能电池获得了20.02%的光电转化效率和超过19%的稳定输出效率。更重要的是，该方法工艺简单、普适性强，在工业化应用中具有很大的优势。

【图文导读】

图1、通过甲胺抑制碘单质的生成

(a) 加入MA / EtOH（溶液A）和钙钛矿前体溶液的颜色变化乙醇 (溶液B)和参考 (溶液C)分别搅拌10分钟和12小时。

(b) CH₃NH₃I (MAI)的紫外可见吸收光谱或I₂溶解在DMF中和相应的吸收光谱。

图2、甲胺对钙钛矿前体的协调作用

以MA / EtOH作为添加剂的钙钛矿前体溶液中胶体中间态的示意图。

图3、甲胺对钙钛矿薄膜光物理性能的影响

左图，具有ITO /钙钛矿/ Au结构的器件的电流-电压特性曲线用于估计钙钛矿膜中的缺陷密度。右图，本文中最高器件效率I-V曲线和相关参数。

【小结】

1、甲胺乙醇溶液的引入能够有效抑制碘单质的生成，避免其对器件性能的不良影响，而且大大提高了对前驱体物料比的精确控制；

2、甲胺乙醇添加剂还能够通过配位作用调控钙钛矿前驱体溶液的胶体颗粒大小，降低多碘-铅配合物的浓度，进而影响钙钛矿薄膜的成膜过程及薄膜质量；

3、一定量的甲胺乙醇添加剂还能够降低结晶过程中的成核速率，有效促进钙钛矿晶粒的长大，消除晶界对器件性能的不利影响。

【结束语】

该工作得到了国家自然科学基金（51672008，51673025，11404324）和青年千人计划基金的支持。

该论文作者为：Zonghao Liu, Junnan Hu, Haoyang Jiao, Liang Li, Guanhaojie Zheng, Yihua Chen, Yuan Huang, Qing Zhang, Chao Shen, Qi Chen, and Huanping Zhou

文献链接：Chemical Reduction of Intrinsic Defects in Thicker Heterojunction Planar Perovskite Solar Cells (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201606774)

陈棋老师简介：

陈棋，2005年本科毕业于清华大学化工系，2007年硕士毕业于清华大学化学系，2012年博士毕业于加州大学洛杉矶分校(UCLA)材料科学与工程系，随后以博士后身份在UCLA加州纳米研究中心从事薄膜太阳能电池研究工作。中组部第十二批“青年千人计划”入选者（公示中）。拟于2016年3月加入北京理工大学。

陈棋老师长期从事有机无机杂化及复合材料的开发与应用研究，材料广泛应用于能源、光电等领域，具体包括太阳能电池、发光二极管、透明电极、传感器、探测器等各类新型光电功能化器件，尤其是新型纳米复合结构构筑、纳米结构加工、光电材料制备、薄膜太阳能电池的制备及工艺开发等交叉前沿项目。迄今发表论文30余篇，引用超过2000次，包括Science、 Nature Communications、 Journal of American Chemical Society、Nano Letters、Advanced Materials等。论文及引用请参阅：https://xs.glgoo.com/citations?user=peA-x_EAAAAJ&hl=zh-CN&oi=ao

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