上海交大韩礼元Energ. Environ. Sci.：垂直结晶法实现高效且稳定的氟代甲脒(FA)基钙钛矿电池

【引言】

钙钛矿太阳能电池中的反式结构比正式结构拥有更多的优点，比如迟滞效应小、稳定性好、制备简单和易大面积制备等。近期由于氟代甲脒（FA）基钙钛矿材料具有优异的光伏特性，吸收光谱可以扩展到840 nm，因此受到研究者的广泛关注。用其制备的正式结构太阳能电池效率已经超过20%。然而，由于在FA-基钙钛矿材料中，电子空穴传输特性不平衡，导致反式结构FA-基钙钛矿太阳能电池的效率很难上去。这种不平衡的载流子传输特性归根结底是由钙钛矿薄膜的结晶性差所导致的。因此如何获得高结晶性的钙钛矿薄膜是制备高效率反式钙钛矿太阳能电池的关键所在。

【成果简介】

近日，上海交通大学韩礼元教授在Energ. Environ. Sci.上发表了一篇名为“Vertical recrystallization for highly efficient and stable formamidinium-based inverted-structure perovskite solar cells”的文章。该研究提出了一种垂直结晶方法，控制甲基氯化铵（MACl）分子在δ态FA-基钙钛矿薄膜上垂直方向扩散，辅助FA-基钙钛矿薄膜由δ态到α态的相转变，使得薄膜重新结晶，有效的制备出了结晶性好FA-基钙钛矿薄膜，并且成功制备出了效率高达20.65%的稳定性好的反式结构钙钛矿太阳能电池。

【图文简介】

图1：高结晶度FAPbI₃薄膜的制备与表征

(a).垂直结晶法制备高结晶度FA-钙钛矿薄膜的流程图；

(b, d).无MACl处理及未加热的δ态FAPbI₃薄膜的XRD谱和SEM截面图；

(c, e). MACl处理及加热的α态FAPbI₃薄膜的XRD谱和SEM截面图；

图2： MACl浓度对FAPbI₃薄膜结晶性的影响

(a-d). 不同浓度 MACl 处理FAPbI₃薄膜的SEM图。

图3：垂直结晶法（MACl处理）的FAPbI₃薄膜的性能表征

(a).不同MACl浓度下FAPbI₃薄膜的XRD谱；

(b).不同MACl浓度下FAPbI₃薄膜的吸收谱；

(c).不同MACl浓度下FAPbI₃薄膜110面的XRD峰移；

(d).MACl浓度与FAPbI₃晶格常数的关系图。

图4：垂直结晶法制备（MACl处理）的反式钙钛矿电池的性能测试

(a).不同MACl浓度处理的器件的J-V曲线；

(b).不同MACl浓度处理的器件的EQE曲线；

(c).MACl处理前和处理后的FAPbI₃薄膜的光致发光量子效率谱；

(d).MACl处理前和处理后的FAPbI₃薄膜的荧光光谱；

(e).MACl处理前和处理后的FAPbI₃薄膜的时间分辨荧光光谱；

(f).MACl处理前和处理后的钙钛矿太阳能电池的开路电压与光强的依赖关系曲线；

(g).MACl处理前和处理后的钙钛矿太阳能电池效率的稳定性测试。

【小结】

在这项工作中，研究人员提出了一种垂直结晶的方法，通过MACl分子在FAPbI₃薄膜上垂直方向扩散，辅助δ-FAPbI₃薄膜转换成α-FAPbI₃薄膜，有效提高了FAPbI₃薄膜的结晶性，进而提升了反式FA-基钙钛矿电池的效率（20.65%）和环境稳定性。

文献链接：Vertical recrystallization for highly efficient and stable formamidinium-based inverted-structure perovskite solar cells (Energ. Environ. Sci.,2017,DOI:10.1039/c7ee01675a)

团队介绍：

上海交通大学韩礼元教授领导的科研团队多年来致力于新型太阳能电池研究,近来在钙钛矿太阳能电池领域屡获佳绩。该团队成员包括，东方学者杨旭东特别研究员，青年千人陈俊超特别研究员，陈汉讲师,以及2名博士后和10名在读研究生。

团队该领域工作汇总：

该团队主要在钙钛矿太阳能电池高效率器件制备，大面积模块开发，稳定性方面做出了卓越贡献。2015年该团队首次获得了1cm²的器件最高认证效率15%，相关工作被发表在Science杂志上。为了获得更高的效率，通过仔细研究了发电机理，发现反式器件中电子收集效率低的问题。为此，韩老师的团队开发了一种新的渐变异质结结构，有效地改善了电子收集效率，把认证效率提高到18.21%，该工作发表在Nature Energy杂志上。近期，该团队通过降低钙钛矿薄膜中的缺陷，采用简单的组分和制备方法，获得了19.19%反式钙钛矿太阳电池的最高认证效率。同时，该团队在大面积模块开发方面也取得了开拓性的研究成果。他们开发了一种称为软膜法的制备大面积高质量钙钛矿薄膜的方法，成功制备了36平方厘米钙钛矿太阳能电池模块，首次获得了12.1%的认证效率。这是第一个被收录于太阳能电池效率表中的钙钛矿太阳电池模块效率。在提高稳定性方面，该团队近期在Nature Communication杂志上发表了一篇很有价值的文章，他们将石墨烯层引入电荷传输材料，有效抑制了碘离子的移动和甲胺气体的逸出，获得了85摄氏度条件下，500小时的稳定性，并通过了1000小时的光照稳定性测试。为了加速钙钛矿太阳电池的实用化，该团队系统地进行了成本分析，指出了提高转换效率和稳定性才是影响钙钛矿模块成本的关键因素。达到模块效率高于15%，稳定性大于15年的目标，才能产出低于传统能源的发电成本，这对未来钙钛矿电池的发展方向具有重要指导意义。目前，要想实现这一目标，还存在许多困难和挑战，但该团队相信，只要结合科学的方法和不懈的努力，就一定可以在不远的将来实现这个的目标。

优质文献推荐：

1) W. Chen, Y. Wu, L. Han et al., Science, 350, 944 (2015)

2) J. Liu, L. Han et al., Adv. Mater. 27, 4918-4923(2015)

3) Y. Wu, X. Yang, W. Chen, L. Han, et al, Nature Energy, 10.1038/nenergy.2016.148

4)  Adv. Maters., DOI: 10.1002/adma.201701073

5) F. Ye, X. Yang, L Han. Energy Environ. Sci. 2016, 9, 2295-2301.

6) E. Bi, L. Han et al., Nature communications, 2017, DOI: 10.1038/ncomms15330

7) M. Cai, L. Han, Adv. Sci. 2017, 4, 1600269.

本文由材料人编辑部新能源前线 刘于金 供稿，参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065953”。

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