大连化学物理研究所刘生忠研究员团队 Adv. Mater: 高性能二维钙钛矿太阳电池的相变控制

【引言】

二维(2D) Ruddlesden-Popper (RP)型杂化钙钛矿半导体，因为其优异的稳定性和光电性能，已经在科研领域吸引了极大的关注。然而，二维钙钛矿复杂的结晶动力学方面的研究仍存在空白。

 【成果简介】

近日，大连化学物理研究所博士研究生张旭同学在洁净能源国家实验室太阳能研究部薄膜太阳能电池研究组（DNL1606）刘生忠研究员和陕西师范大学赵奎教授指导下，继2017年在能源研究顶级期刊 Energy & Environmental. Science 上报道了低维钙钛矿电池最高效率之后，又在二维钙钛矿结晶动力学研究上取得新进展，相关研究成果发表在Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.201707166)。

该研究利用高能同步辐射技术，实时追踪二维钙钛矿前驱体溶液反应形成固态薄膜的相转变行为，研究了基底温度和溶剂性质如何影响二维钙钛矿结晶动力学以及薄膜相纯度、量子阱排列取向和光伏性能。

上述研究工作分别得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基金、教育部“111引智计划”、“千人计划”项目的资助以及康奈尔大学高能同步辐射光源的帮助。

图一：二维钙钛矿太阳电池的电学性能

(a). 一步法旋涂(BA)₂(MA)₃Pb₄I₁₃前驱体溶液和电池结构以及薄膜晶体结构示意图

(b). 对比不同2D (BA)₂(MA)₃Pb₄I₁₃太阳电池的J-V曲线图

(c). 最佳性能器件的EQE和积分电流曲线

(d). 2D (BA)₂(MA)₃Pb₄I₁₃太阳电池的正反扫J-V曲线

表一：二维钙钛矿太阳电池的基本参数

图二：二维钙钛矿结晶动力学研究

(a-c). 原位GIWAXS测试分析不同2D (BA)₂(MA)₃Pb₄I₁₃薄膜的相变过程

(d-f). 不同2D (BA)₂(MA)₃Pb₄I₁₃薄膜形成的动力学模型

图三：二维钙钛矿薄膜的结晶性质

(a-f). GIWAXS测试分析不同2D (BA)₂(MA)₃Pb₄I₁₃薄膜的结晶性质

(g). 平行取向（左）和垂直取向（右）的TiO₂/(BA)₂(MA)₃Pb₄I₁₃界面

图四：二维钙钛矿薄膜的形貌特性

(a). 不同2D (BA)₂(MA)₃Pb₄I₁₃薄膜的扫描电镜截面照片

(b). 不同2D (BA)₂(MA)₃Pb₄I₁₃薄膜的扫描电镜平面照片

(c). 不同2D (BA)₂(MA)₃Pb₄I₁₃薄膜的原子力显微镜照片

图五：二维钙钛矿薄膜的光学性能

(a). 不同2D (BA)₂(MA)₃Pb₄I₁₃薄膜紫外可见吸收和光学带隙谱图

(b). 不同2D (BA)₂(MA)₃Pb₄I₁₃薄膜稳态荧光谱图

(c). 不同2D (BA)₂(MA)₃Pb₄I₁₃薄膜光学带隙和荧光线宽的变化谱图

(d). 不同2D (BA)₂(MA)₃Pb₄I₁₃薄膜荧光寿命谱图

【小结】

研究表明，当前驱体-溶剂中间态形成时，钙钛矿的成核能垒增加，导致二维钙钛矿相纯度和晶体取向有序性降低。研究进一步表明基底诱导二维钙钛矿成核生长是高质量钙钛矿薄膜的关键。通过基底诱导结晶，可以抑制前驱体-溶剂中间态的形成，从而实现高质量二维钙钛矿晶体的生长：二维量子阱采取热力学更稳定的垂直取向；晶体相纯度最高。基于高质量钙钛矿薄膜，太阳电池的光电转化效率大幅提升。该研究结果对制备高质量低维钙钛矿薄膜以及高性能光电器件提供了理论根据，将有助于推动钙钛矿太阳电池进一步走向商业应用。

文献链接：Phase Transition Control for High Performance Ruddlesden–Popper Perovskite Solar Cells (Adv. Mater. 2018, 1707166. DOI: 10.1002/adma.201707166)

【团队介绍】

大连化物所刘生忠研究员和陕西师范大学赵奎教授领导的团队最近在钙钛矿器件方面取得了系列国际领先研究成果，包括：2017年制备出世界最高效率13.7%的二维钙钛矿电池（Energy Environ. Sci., 2017, 10, 2095）; 2018年采取晶界钝化法制备稳定高效钙钛矿太阳电池（Adv. Mater., 2018, DOI:10.1002/adma.201706576）; 2018年通过实时追踪技术研究三维钙钛矿中间态的形成(ACS Energy Lett., 2018, DOI: 10.1021/acsenergylett.8b00428)；2018年利用刮涂技术制备高效钙钛矿太阳电池（Joule, 2018, In press）。这些成果都达到了同类研究的国际先进水平。

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