四年磨一剑：Snaith团队Nature Materials

NSCD 1年前 (2022-12-16) 2204浏览

  • 【导读】

钙钛矿基太阳能电池作为新一代太阳能电池的代表，其效率自2009被首次报道以来的低于4%在短短几年内迅速提升至25%以上。仅就效率而言，钙钛矿太阳能电池已可以和最先进的硅基太阳能电池平分秋色。然而，钙钛矿太阳能电池的稳定性问题仍是阻碍其最终商业化应用的最大瓶颈。一直以来，组分调控被认为是提升钙钛矿太阳能电池稳定性的重点；而结晶过程对器件稳定性的影响则被长期忽视。通过对结晶过程的研究，有望为提升钙钛矿太阳能电池提供新的思路。

  • 【成果掠影】

近日，牛津大学Henry J. Snaith团队和莫纳什大学Udo Bach团队在Nature Materials上合作发表了新的研究论文，通过添加二甲基铵（dimethylammonium）阳离子调控钙钛矿结晶过程中的中间产物，实现高稳定的钙钛矿太阳能电池。N,N-二甲基甲酰胺（DMF）是制备钙钛矿薄膜的常用溶剂，而其在氢卤酸的作用下会分解生成相应的二甲基卤化铵，并进入钙钛矿晶格形成有机-无机混合钙钛矿。这实际上改变了离子间的比例从而使得前驱体溶液中铅卤配合物的成分不同并最终导致产物的形貌和稳定性的差异。基于以上分析，作者在制备钙钛矿薄膜的过程中，通过调控所加入的二甲基氯化铵（DMACl）的含量对钙钛矿结晶序列的进行控制，实现了从六方相共面钙钛矿到立方相共角钙钛矿的转变。在适量DMACl的作用下，可获得绒面的、具有高结晶性的钙钛矿薄膜。同时，在DMACl参与下获得的钙钛矿薄膜具有更加优异的抗湿性和热稳定性，以其组装的太阳能电池器件的T80（效率降至初始效率的80%所对应的时间）可达到1410小时。

相关研究文章以“Intermediate-phase engineering via dimethylammonium cation additive for stable perovskite solar cells”为题发表在Nature Materials上。

  • 【核心创新点】

深入讨论了溶剂酸解对钙钛矿薄膜形貌的影响，随后通过引入卤化铵成功的实现了对钙钛矿薄膜形貌的调控。

  • 【数据概览】

图1. 氢卤酸对FA0.83Cs0.17Pb(I0.6Br0.4)3薄膜形貌、晶粒质量和电子无序性的影响。(a) DMF分解成二甲基铵和甲酸。(b, c) 以DMF/DMSO为溶剂制备的钙钛矿薄膜和以DMF/acid制备的钙钛矿薄膜的照片。(d, e) 沉积在FTO基底上的钙钛矿薄膜的广角X射线散射。(f, g) 由傅里叶变换光电流光谱得到的以DMF/DMSO为溶剂的和DMF/acid制备的钙钛矿薄膜的EQE。(h) 混合钙钛矿薄膜中主相和高碘次相的禁带宽度。(i) 不同辐照时间后相分离的程度及其引起的Voc损失 ©The Author(s)

图2. DMACl对合成FA0.83Cs0.17Pb(I0.6Br0.4)3过程中中间产物的影响。(a) 六方和立方钙钛矿结构及其对应的PbI6的连接。(b, c) 不同DMACl添加量下旋涂所制备的DMAx(FA0.83Cs0.17)1-xPb(Br0.2I0.8)3Clx钙钛矿薄膜照片及其相应的X射线衍射图谱。(d) A位阳离子的结构示意图 (e) 不同薄膜的紫外-可见吸收光谱 ©The Author(s)

图3. 不同DMACl添加量对FA0.83Cs0.17Pb(I0.6Br0.4)3钙钛矿薄膜晶粒质量、取向和电子无序性的影响。(a) 不同DMACl添加量下钙钛矿薄膜的SEM照片。(b) 相对基底不同取向的晶粒的示意图。(c) 不同DMACl添加量的钙钛矿薄膜的二维X射线衍射图谱。(d) 不同DMACl添加量的钙钛矿薄膜(100) 晶面二维X射线衍射强度。(e) 经退火后的不同DMACl添加量的钙钛矿薄膜的一维X射线衍射图谱 (f) (100) 晶面对应的衍射峰的半峰高宽 ©The Author(s)

图4. 溶剂和制备方法对薄膜抗湿性的影响。(a) 85%湿度下不同方法制备的薄膜的照片。(b) 不同薄膜的1H NMR谱图 ©The Author(s)

图5. 薄膜的热稳定性。(a) 钙钛矿薄膜在150 oC下N2气中退火不同时间后的照片。(b-d) 对应薄膜的紫外-可见吸收光谱。

  • 【成果启示】

综上，探明钙钛矿薄膜的结晶序列并实现对其调控，是除组分调控外的另外一条提升钙钛矿薄膜稳定性的重要途径。

 

原文详情：Intermediate-phase engineering via dimethylammonium cation additive for stable perovskite solar cells, Nature Materials, 2022,

DOI: 10.1038/s41563-022-01399-8

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