西安交大董化、吴朝新 ACS Energy Letters：吸电子配体晶界应力调控实现高效稳定锡基钙钛矿太阳能电池

引言

如今，由于化石燃料储存限制，对可再生能源的需求急剧增长，急需发展高效稳定太阳能电池。铅基卤素钙钛矿材料作为近年太阳能电池的明星材料受到了广泛的关注和研究。然而，材料中含有的铅对于环境和人体的危害不可忽视，阻碍了其大规模商用的发展前景。近年来，许多研究致力于发展不含铅的锡基钙钛矿材料并获得了较大的进展。相较于铅基钙钛矿，Sn基钙钛矿材料结晶速度快、形成活化能低，使得相应薄膜结晶质量低、形貌差、缺陷密度高。此外，Sn²⁺容易氧化为Sn⁴⁺，会在钙钛矿薄膜中导致Sn空位和p型掺杂，进而产生更大的非辐射复合，大大降低器件能量转换效率。这些缺陷导致的相关稳定性问题也成为Sn基钙钛矿太阳能电池发展的另一个瓶颈。近年来，旨在优化结晶过程的配体修饰策略在Sn基钙钛矿材料中显示出巨大的潜力，大体积胺类配体被证明有利于控制钙钛矿薄膜的结晶生长。同时，由于胺基配体结构的疏水和疏氧性，器件的稳定性得以提高。

研究内容

针对以上钙钛矿太阳能电池器件中存在的问题，吴朝新教授组研究了：三种同分异构氟代配体，即4-氟-苯乙基碘化铵（4-F-PEAI）、3-氟-苯乙基碘化铵（3-F-PEAI）和2-氟-苯乙基碘化铵（2-F-PEAI），同时实现了结晶控制和Sn²⁺的氧化抑制。利用配体的氢键效应，制备了致密均匀的Sn基钙钛矿薄膜。此外，观察到表面晶格的稳健性与配体的几何结构密切相关，这进一步在不同程度上影响了Sn空位的形成。2-F-PEA采用弯曲几何结构，在表面由单一方向对齐，对于结构的稳健性超过其他异构体（3-F-PEA和4-F-PEA）。不同的晶格应力影响了Sn空位形成的复杂性。结果，2-F-PEAI修饰的Sn基钙钛矿太阳能电池的能量转换效率为10.17 %（认证效率8.58 %）。在1600小时光老化试验下，效率衰减小于15%。

该项研究工作以题目为“Ligand Orientation Induced Lattice Robustness for high-efficient and stable Tin-Based Perovskite Solar Cells”近期发表于国际期刊ACS Energy Letters (2020) （影响因子 16.331，论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.0c00960）。第一作者为课题组博士生李培舟；董化副教授、李璟睿特聘研究员和吴朝新教授为共同通讯作者，西安交通大学为第一作者单位和唯一通讯作者单位。该工作得到自然科学基金委项目（编号61935016、61505161和11574248）等的支持。

西安交通大学吴朝新团队长期研究新型功能材料的“光-电”与“电-光”物理机制及其器件应用如太阳能电池与发光二极管，近期有多项重要成果发表于国际顶级期刊：Joule，Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition,  Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters, Nano Energy等，更多研究内容可参见吴朝新团队主页：http://zhaoxinwu.gr.xjtu.edu.cn

图文导读

图一.钙钛矿薄膜制备过程、结晶、形貌及其光学特性

(a)薄膜制备工艺示意图，及2-F-PEA的3D结构。(b)FASnI₃薄膜和F-PEAI修饰薄膜的XRD，(c)UV-vis和(d-g)SEM图像。

图二.器件电学性能测试

(a-b)钙钛矿太阳能电池器件结构和能级图。(c)不同器件的J-V曲线。(d)最高效率器件的正反扫J-V曲线。(e)2-F-PEAI修饰的器件在最大功率点的稳态电流输出和效率。(f)控制组和2-F-PEAI修饰器件在N₂中储存的稳定性。

图三.配体修饰对Sn²⁺氧化和Sn空位形成的抑制

FASnI₃与F-PEAI修饰薄膜的对于(a) I与(b) Sn元素的XPS谱。(c)FASnI₃与F-PEAI修饰钙钛矿在UPS测试中的能级与费米能级(E_F)的对比示意图。(d)2-F-PEAI, (e)3-F-PEAI, (f)4-F-PEAI修饰钙钛矿超细胞空间排列的DFT模拟。 (g)不同钙钛矿形成能示意图。 (h)FASnI₃与F-PEAI的TAS分析。

图四. F-PEAI对FASnI₃缺陷修饰的作用

PL mapping测试中(a)2-F-PEAI与(b)FASnI₃归一化PL强度分布。 (c)钙钛矿薄膜的TRPL测试。 (d)2-F-PEAI与(e)FASnI₃的PL mapping分布图。 (f)不同PSCs的EIS测量Nyquist图。

本文由西安交通大学吴朝新教授课题组投稿。