浙江大学/香港中文大学AEM: 苯基乙基铵阳离子基二维钙钛矿太阳电池


【引言】

近年来,钙钛矿薄膜太阳能电池的发展前景如火如荼,但目前仍存在诸多方面的问题,如:理论尚未完善、成本仍需降低、转换效率和稳定性有待提高、实验方案及电池结构也要更优化。此外,提高二维钙钛矿基太阳能电池(PVSCs)的功率转换效率(PCE)也是急需解决的问题。

【成果简介】

近日,浙江大学吴刚教授、陈红征教授和香港中文大学路新慧助理教授(共同通讯作者)等人在Adv. Energy Mater. 上发表了一篇关于提高二维钙钛矿太阳电池效率的文章,题为“Orientation Regulation of Phenylethylammonium Cation Based 2D Perovskite Solar Cell with Efficiency Higher”。该研究表明:增加2D钙钛矿薄膜的垂直取向度是提高PCE的有效方法。通过一步旋涂法,借助硫氰酸铵(NH4SCN)制备垂直取向高度结晶的2D (PEA)2(MA)n-1PbnI3n+1(PEA =苯基乙基铵,MA=甲基铵,n=3,4,5)。在n=5时,PVSC的PCE从原来的0.56%(不含NH4SCN)提高到11.01%,这是在(n <10)2D钙钛矿PVSC中,NH4SCN的最优添加量。经证实该结构的2D钙钛矿薄膜的湿度稳定性良好,同时该研究有望极大地促进高效稳定的PVSC的商业化发展。

【图文导读】

添加不同量SCN的(PEA2MA4Pb5I16膜的理论和实验数据

(a)基于(PEA)2(MA)4Pb5I16膜的PVSC的能带图;

(b)基于(PEA)2(MA)4Pb5I16膜的PVSC的电流密度-电压图;

(c)基于(PEA)2(MA)4Pb5I16膜的PVSC的EQE光谱;

(d)(PEA)2(MA)4Pb5I16膜(2SCN)的PVSC的集成光电流曲线。

添加不同量SCN的(PEA2MA4Pb5I16膜的SEM

(a)不添加SCN的(PEA)2(MA)4Pb5I16膜的SEM图像,顶视图和横截面(插图);

(b)添加1 SCN的(PEA)2(MA)4Pb5I16膜的SEM图像;

(c)添加1.5 SCN的(PEA)2(MA)4Pb5I16膜的SEM图像;

(d)添加2 SCN的(PEA)2(MA)4Pb5I16膜的SEM图像;

(e)添加2.5 SCN的(PEA)2(MA)4Pb5I16膜的SEM图像;

(f)添加3 SCN的(PEA)2(MA)4Pb5I16膜的SEM图像。

添加不同量SCN的(PEA2MA4Pb5I16膜的XRD/FWHM

(a)添加不同量的SCN的(PEA)2(MA)4 Pb 5I16膜的XRD图谱;

(b)添加不同量的SCN的(PEA)2(MA)4 Pb 5I16膜的衍射峰强度和FWHM。

添加不同量的SCN的(PEA2MA4Pb5I16膜的GIWAX

(a)0 SCN;

(b)1 SCN;

(c)2 SCN;

(d)为c中所示qr=1.30-1.42范围的GIWAX衍射强度;

(e)SCN增加(PEA)2(MA)4Pb5I16膜垂直取向的示意图。

PEA2MA4Pb5I16钙钛矿的PL光谱

(a)在ITO / PEDOT:PSS衬底上的(PEA)2(MA)4Pb5I16(n = 5)钙钛矿的稳态PL光谱;

(b)在ITO / PEDOT:PSS衬底上的(PEA)2(MA)4Pb5I16(n = 5)钙钛矿的PL衰变。

PEA2MA4Pb5I16膜的稳定性和取向度的关系

(a)未取向的(PEA)2(MA)4Pb5I16(n = 5)钙钛矿的XRD;

(b)垂直取向的(PEA)2(MA)4Pb5I16的XRD。

钙钛矿薄膜PVSCPCE

基于(PEA)2(MA)4Pb5I16(n = 5)钙钛矿薄膜的PVSC在N2手套箱和空气中,湿度为55±5%,进行湿度稳定性试验。

【小结】

采用一步旋涂法制备二维钙钛矿(PEA)2(MA)n-1PbnI3n+1(n=3,4,5)膜,借助NH4SCN作添加剂,使(PEA)2(MA)n-1PbnI3n+1膜具有垂直取向。最终确定NH4SCN的最优添加量为2SCN且n的最优值为n=5,所得产物2D(PEA)2(MA)4Pb5I16膜的结晶度、垂直取向、电子和空穴迁移率以及湿度稳定性均取得较好结果。基于2D(PEA)2(MA)4Pb5I16膜的PVSC的最佳PCE为11.01%,JSC为15.01 mA/cm2,VOC为1.11 V ,填充因子为0.67;在湿度为55±5%的空气中储存160小时后仍保留其原始PCE的78.5%。这项研究为制造高PCE和良好稳定性的PVSC提供了可能性。

 文献链接: Orientation Regulation of Phenylethylammonium Cation Based 2D Perovskite Solar Cell with Efficiency Higher. ( Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201702498/abstract )

本文由材料人编辑部蔡冠宇编译,刘宇龙审核,点我加入材料人编辑部

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