电子科技大学李世彬教授Nano Energy：混合溶剂作为反溶剂冲洗工艺“缝合”三基团钙钛矿晶粒提升钙钛矿太阳能电池性能

【引言】

近年来，有机无机钙钛矿材料因为其良好的缺陷容忍度、较长的载流子扩散长度以及较强的光学吸收等优异的光电性能，成为了新一代低成本、高效率的太阳能电池材料的研究热点。效率从2009年的3.8%迅速的攀升到现在的22.1%。有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的研究经历了多个阶段和方面，大量的研究人员从制备工艺、界面优化、物理特性、材料组份等多个领域都对钙钛矿太阳能电池的性能提升和器件机制做出了贡献。溶剂工程一直都是钙钛矿研究中的一个重要方面，溶液法的钙钛矿沉积工艺也经历了一步法工艺、两步法工艺和反溶剂冲洗工艺等发展历程。通过溶剂工程的处理，我们可以更好地理解钙钛矿薄膜生长动力学机制以及调控钙钛矿薄膜制备过程，从而得到成本更低、性能更高的钙钛矿太阳能电池。利用溶剂工程中的混合溶剂工程，可以利用混合溶剂中多种溶剂对钙钛矿前驱体的协同能力的强弱不同，来调控钙钛矿薄膜的晶粒生长，得到表面更加平整、晶粒更大的钙钛矿薄膜，同时相应的提升钙钛矿太阳能电池的光电性能。

【成果简介】

电子科技大学李世彬教授在Nano Energy上以“Stitching Triple Cation Perovskite by a Mixed Anti-Solvent Process for High Performance Perovskite Solar Cells”为题发表文章，文章中研究者们利用了混合溶剂工艺在三基团钙钛矿薄膜反溶剂冲洗的过程中，通过在氯苯（CB）中加入一种弱配位溶剂异丙醇（IPA），发现异丙醇的加入可以修饰三基团钙钛矿的表面，通过AFM的测试发现IPA可以有效的降低钙钛矿表面的粗糙度，同时SEM的表征结果表明，IPA加入之后利用混合溶剂可以增大三基团钙钛矿的晶粒，从而根据混合溶剂在薄膜生长过程中的作用，作者提出了弱配位作用溶剂在反溶剂冲洗过程中起到了一个“缝合作用”，通过混合溶剂工艺的可以得到不同的钙钛矿晶粒大小的薄膜，并且在后续过程中通过FTIR以及金相显微镜证实了IPA的存在会快速的带走残留在薄膜上的氯苯并形成更加均匀的结晶核分布。通过混合溶剂的工艺，作者分析了钙钛矿在混合溶剂工程下的成膜机理，并将三基团钙钛矿太阳能电池效率提升到19.3%。参与项目还有电子科技大学的陈志教授和英国伦敦学院的巫江博士，文章第一作者为电子科大博士研究生王亚飞。

【图文导读】

图一 混合溶剂制备工艺、混合溶剂制备钙钛矿薄膜UV-Vis、XRD图谱及太阳能电池性能

（a）混合溶剂制备钙钛矿示意图

（b）不同比例的混合溶剂下三基团钙钛矿薄膜紫外可见吸收（400-1000 nm）

（c）IPA、混合溶剂（IPA：CB）和CB冲洗下薄膜在700 nm-800 nm紫外可见吸收

（d）IPA、混合溶剂（IPA：CB）和CB冲洗下薄膜的XRD分析

（e）不同比例的混合溶剂下三基团钙钛矿太阳能电池J-V曲线

图二 混合溶剂制备钙钛矿薄膜半导体性能分析及表面形貌分析

（a）-(c) CB、混合溶剂（IPA：CB）和IPA反溶剂冲洗制备三基团钙钛矿表面形貌SEM

(d) 不同溶剂冲洗下晶粒大小分布统计分析

(e) 不同比例的混合溶剂下三基团钙钛矿薄膜积分PL强度分析

(f) 不同比例的混合溶剂下三基团钙钛矿电池理想因子分析

(g) 混合溶剂工艺冲洗下太阳能电池器件截面SEM图

图三 混合溶剂制备钙钛矿薄膜AFM图谱分析

（a）CB反溶剂冲洗制备三基团钙钛矿AFM图谱分析

（b）混合溶剂（IPA：CB）反溶剂冲洗制备三基团钙钛矿AFM图谱分析

（c）IPA反溶剂冲洗制备三基团钙钛矿AFM图谱分析

图四 混合溶剂制备三基团钙钛矿薄膜生长机理示意图及FTIR分析

（a）混合溶剂反溶剂冲洗制备三基团钙钛矿薄膜生长机理示意图

（b）CB、混合溶剂（IPA：CB）和IPA反溶剂冲洗制备三基团钙钛矿退火后FTIR分析

（c）CB、混合溶剂（IPA：CB）和IPA反溶剂冲洗制备三基团钙钛矿未退火后FTIR分析

图五 混合溶剂制备未退火三基团钙钛矿薄膜金相显微镜图像分析

（a）未用反溶剂冲洗钙钛矿薄膜金相显微镜图像

（b）CB反溶剂冲洗制备三基团钙钛矿金相显微镜图像

（c）混合溶剂（IPA：CB）反溶剂冲洗制备三基团钙钛矿金相显微镜图像

（d）IPA反溶剂冲洗制备三基团钙钛矿金相显微镜图像

图六 混合溶剂制备三基团钙钛矿最优光电性能电池J-V曲线及稳定性研究

（a）混合溶剂（IPA：CB）反溶剂冲洗制备最优性能三基团钙钛矿太阳能电池J-V曲线

（b）混合溶剂（IPA：CB）反溶剂冲洗制备三基团钙钛矿太阳能电池36h内稳定性分析

【小结】

利用加入弱配位溶剂的混合溶剂作为反溶剂冲洗的工艺，成功修饰了三基团钙钛矿的表面，降低了三基团钙钛矿薄膜的粗糙度，扩大了三基团钙钛矿薄膜的晶粒，成功的制备出了效率为19.3%的稳定高效的钙钛矿太阳能电池。这项研究分析了弱配位溶剂及其混合溶剂在反溶剂冲洗过程中对钙钛矿薄膜的“缝合”作用，同时研究和揭示了三基团钙钛矿薄膜在反溶剂冲洗工艺下的成膜机理，本项研究有利于深入的应用溶剂工程探索钙钛矿薄膜生长动力学和提升多基团钙钛矿光伏器件的性能。

原文链接：Stitching triple cation perovskite by a mixed anti-solvent process for high performance perovskite solar cells（Wang Y, Wu J, Zhang P, et al. Nano Energy, 2017, Volume 39, September 2017, Pages 616–625,  https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.07.046）

作者简介

李世彬，博士，电子科技大学光电信息学院教授，博士生导师，“四川省千人计划学者”。主要从事钙钛矿光电器件研究、柔性传感器及柔性光电器件方面的研究。2017年以来在Nano Energy, JMCA, Nano Research, Nanoscale, J POWER SOURCES 等国际知名期刊上发表多篇高水平论文，其中包含影响因子大于10的高水平论文2篇，ESI高被引论文2篇。

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