布朗大学：利用配位化合物调控晶界功能提升理想禁带宽度钙钛矿太阳能电池性能

【引言】

目前，最高光电转化效率的钙钛矿太阳能电池吸光层材料的禁带宽度都高于理想单结太阳能电池的理论值1.3eV, 这大大限制了其光电转化效率的提升空间。禁带宽度在1.2eV-1.3ev的铅-锡混合钙钛矿材料的出现可最大化的利用太阳光谱。然而，二价锡极易氧化，其物理与化学性质难以在非惰性环境下保持，是导致这类材料光电转化效率和稳定性低的主要原因。

【 成果简介】

近日，美国布朗大学Yuanyuan Zhou教授和Nitin. P. Padture教授（共同通讯作者）在Advanced Energy Materials上发表了题为“Lewis-Adduct Mediated Grain-Boundary Functionalization for Efficient Ideal-Bandgap Perovskite Solar Cells with Superior Stability”的研究论文，该工作将一种低融点的配位化合物SnF₂▪3FACl 掺入到前驱体溶液中，成膜后这种化合物在晶界处形成连续的SnF2钝化网络，高浓度的二价锡聚集在晶界处形成还原性环境，有效阻止了铅-锡混合材料的氧化。通过这种方法组装的具有理想禁带宽度的太阳能电池的光电转化效率为15.8%，且稳定性得到了提升。布朗大学访问博士生Yingxia Zong和东京大学博士后Zhongmin Zhou为并列第一作者。

【图文导读】

图一：路易斯配位化合物功能化晶界形成机理

(a)SnF2 ▪ 3FACl 路易斯配位化合物在成膜不同阶段的微观结构演化示意图

(b)SnF2 ▪ 3FACl 路易斯配位化合物室温及80℃下形貌照片

(c, d, e, f) 170℃下煅烧成膜不同时间的SEM形貌图

(g, h) 170℃下煅成膜不同时间的XRD谱图

(i)煅烧过程中Cl-含量与晶粒尺寸的关系图

图二: 路易斯化合物掺杂后的钙钛矿薄膜的TEM和C-AFM 图像

  TEM 明场成像 (a) 低倍数 (b) 高倍数

图三：路易斯配位化合物掺杂的钙钛矿薄膜的物理性质

（a）路易斯配位化合物掺杂的钙钛矿薄膜与无掺杂的钙钛矿薄膜的UV-vis图谱

（b）路易斯配位化合物掺杂的钙钛矿薄膜与无掺杂的钙钛矿薄膜的稳态荧光光谱

（c）由空间电荷限制电流模型得到的FTO/Perovskite/Au结构中钙钛矿薄膜的log(J)-log(V)散点图

（d）晶界处SnF₂填补钙钛矿薄膜中Sn空位的示意图

图四：路易斯配位化合物掺杂前后的钙钛矿薄膜太阳能电池的结构及表征

（a）器件结构

（b）J-V 曲线（反扫）

（c）光电转化效率统计图

（d）最佳效率的J-V曲线（反扫，正扫）

（e）最大功率点电流和光电转化效率

（f）EQE图谱

图五：路易斯配位化合物掺杂前后的钙钛矿薄膜及器件稳定性

（a）湿稳定性测试：70%

（b）热稳定性测试：200℃

（c）光稳定性测试：一个标准太阳光

（d）掺杂路易斯化合物修饰晶界的钙钛矿薄膜的太阳能电池器件在模拟一个标准太阳光照下300h效率统计图

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201800997

本文由Nitin. P. Padture课题组供稿，材料牛整理编辑。

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