陜西師范大學劉生忠&趙奎Adv. Sci.:用于光伏的包含對稱二銨離子的二維鹵化物鈣鈦礦的有效相位對準


引言

有機和無機鹵化物鈣鈦礦作為下一代光伏材料具有吸收系數高、載流子壽命長、載流子遷移率大、制備方法簡單等優點。基于這種材料實現的光伏效率已超過25%,并正在逐步擴大規模。然而,3D 鈣鈦礦在暴露于濕氣、熱和光時的長期穩定性極差,這是其實際應用的致命缺點。提高其穩定性的常用方法包括界面工程、封裝和探索新型光敏材料。近年來,基于 2D 有機金屬鹵化物鈣鈦礦的太陽能電池顯示出良好的長期穩定性,并且效率不斷提高,但仍落后于 3D 同類產品,部分原因是量子阱的量子限制和低載流子傳輸 (QW) 結構。

成果簡介

由對稱二銨陽離子穩定的新型 2D AA'n-1MnX3n+1?型鹵化物鈣鈦礦由于其較短的層間距離和更好的電荷傳輸性能而在高性能太陽能電池 (PSC) 中引起了研究關注。然而,量子阱(QW)的分布控制及其對光電特性的影響在很大程度上尚未得到深入研究。陜西師范大學劉生忠&趙奎通過膜形成的動態控制報道了有效的相位對齊,以改善二維鈣鈦礦(BDA)(MA)n-1PbnI3n+1(BDA=1,4-丁二胺,<n> = 4)。原位光譜顯示,在鈣鈦礦沉積過程中,通過添加劑的方法顯著延長了結晶窗口。作者發現在垂直于基板的方向上 n 值更精細的厚度梯度導致 QW 之間更有效的電荷傳輸,并抑制了添加劑處理膜中的電荷耦合。結果實現了 14.4% 的功率轉換效率,比未經添加劑處理的對照高 21%。此外,未經封裝的器件在環境暴露 1200 小時后保留了其初始 PCE 的 92%。該成果以題為Effective Phase-Alignment for 2D Halide Perovskites Incorporating Symmetric Diammonium Ion for Photovoltaics發表在Adv. Sci.

【圖文導讀】

1.二維鈣鈦礦 (BDA)(MA)n-1PbnI3n+1?(<n> = 4) 的太陽能電池結構和表征

a) 二維鈣鈦礦 (BDA)(MA)n-1PbnI3n+1(<n> = 4) 的太陽能電池結構和晶體結構b) 從每種類型的 50 個電池中確定的對照和優化(使用 6 mg/mL MACl)設備的 PCE 直方圖 c) J-V 曲線 d) 用于控制和優化(6 mg/mL MACl)設備的 EQE 和集成 Jsc?e) 控制和優化設備在環境條件下超過 80 秒的最大功率點跟蹤下的穩定輸出功率

圖2.二維 (BDA)(MA)n-1PbnI3n+1?(<n>=4) 鈣鈦礦薄膜的表征

a,b) 使用和不使用 MACl 沉積過程中二維 (BDA)(MA)n-1PbnI3n+1 (<n>=4) 鈣鈦礦薄膜的原位紫外-可見吸收光譜 c) 有和沒有 MACl 的 2D (BDA)(MA)n-1PbnI3n+1(<n>=4) 薄膜的結晶窗口 d-f) 對照和優化薄膜的平面掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像、原子力顯微鏡 (AFM) 圖像和橫截面 SEM 圖像 g-h) X 射線衍射 (XRD) 圖案和具有各種添加劑濃度的薄膜的 (111) 衍射峰的 FWHM

3.具有不同添加劑濃度的 2D (BDA)(MA)n-1PbnI3n+1(〈n〉=4) 鈣鈦礦薄膜的表征

a) 具有不同添加劑濃度的 2D (BDA)(MA)n-1PbnI3n+1(〈n〉=4) 鈣鈦礦薄膜的紫外可見吸收光譜 b) 具有不同添加劑濃度的 2D(BDA)(MA)n-1PbnI3n+1(〈n〉=4) 鈣鈦礦薄膜的穩態光致發光 (PL) c) 薄膜在不同延遲時間的瞬態吸收 (TA) 光譜 d) 在 t=1 ps 和 500 ps 時,頂部和底部激發下對照和優化(6 mg/mL MACl)薄膜的 TA 光譜 e) 根據延遲時間為 1 ps 的 TA 光譜估計,對照和優化(6 mg/mL MACl)薄膜中 QW 的組成 f) 來自前驅體的 (BDA)(MA)n-1PbnI3n+1?(n =1?∞) 材料的晶體形成能 g) 優化薄膜在底部激發下漂白恢復的歸一化 TA 動力學 h) 系列薄膜體相的 TA 動力學 i) 具有不同添加劑濃度的薄膜的時間分辨光致發光 (TRPL) 光譜

4.器件的結構與表征

a) 完整太陽能電池的器件結構b) 用于控制和優化薄膜的純電子器件的暗 I-V 測量的比較 c) 不同 MACl 濃度薄膜的陷阱態密度和電子遷移率 d) 具有不同 MACl 濃度的器件的電阻抗譜 (EIS) 數據

5.PCE表征

a) 未封裝暴露于環境條件50 天的對照和優化設備的歸一化 PCE b) 在惰性氣氛中,在 80 °C 下加熱 23 小時,相應非封裝器件的歸一化 PCE

小結

作者在理解和控制 QW 的形成及其對低 n (BDA)(MA)n-1PbnI3n+1?(〈n〉=4) 的相位對準和最終光電特性的影響方面取得了重要進展?系統。結果表明,MACl 添加劑顯著延長了鈣鈦礦沉積過程中的結晶窗口。這為 QW 成核和生長提供了更多時間,從而導致更大的晶體尺寸、更少的陷阱形成和更精細的 QW 厚度分布梯度,這進一步促進了電荷轉移和提取。最后,添加劑輔助太陽能電池的 PCE 達到 14.38%,這是 n ≤ 4?AA'n-1MnX3n+1的高值之一。這些關于此類 2D 鈣鈦礦 QW 的薄膜形成和相位對準的重要發現為實現更高效和更穩定的光電器件鋪平了道路。

文獻鏈接:Effective Phase-Alignment for 2D Halide Perovskites Incorporating Symmetric Diammonium Ion for Photovoltaics. Adv. Sci., 2021, DOI:10.1002/advs.202001433

本文由材料人學術組tt供稿,材料牛整理編輯。 ?

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