中科院福建物质结构研究所高鹏团队Angew“氟代佳话”——“内外兼治”提高钙钛矿材料对深能级缺陷与超氧离子的抵抗力

  • A+
研究背景   

近几年来,新兴的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)发展突飞猛进,在短短十年里其光电转换效率(PCE)从3.8%迅速发展到目前25.5%的认证效率,被视为最具有应用潜力的新型高效率太阳能电池之一。尽管有机无机杂化钙钛矿太阳能电池具有很高的光电转换效率已与多晶硅薄膜电池相媲美,但是电池的长期稳定性远未达到商业化的要求。众所周知,由于钙钛矿对水分和氧气的高反应性,钙钛矿的降解通常是由表面或晶界(GBs)处的缺陷诱导发生的。尽管目前钙钛矿太阳能电池的功率转换效率得到了飞速的发展,但多晶钙钛矿薄膜缺陷的钝化仍然是该领域的一个热点问题。普遍存在的缺陷会导致非辐射复合和钙钛矿分解。已有研究结果表明,钙钛矿界面缺陷诱导的电子陷阱态加剧了VOC 损失。此外,空位型缺陷的存在还可以导致O2- 的形成,这将触发钙钛矿的级联光降解反应。最终造成电池性能和稳定性的严重劣化。

成果简介   

在过去的研究工作中,中科院福建物质结构研究所高鹏课题组针对钙钛矿太阳能电池效率和长期稳定性问题,首次提出在钙钛矿表面引入疏水型氟代芳香胺大体积阳离子策略,在三维 (3D) 钙钛矿顶部原位生长一层超薄的二维 (2D) 钙钛矿涂覆层,所形成的3D-2D叠层钙钛矿同时结合了二维钙钛矿的高稳定性和三维钙钛矿的高性能,从而实现所制备的完整电池效率和稳定性的双提升 (Adv. Energy Mater., 20199, 1802595)。随后又系统地比较了使用不同位置单氟取代的碘化氟苯乙胺处理三维钙钛矿表面,所形成的3D-2D叠层钙钛矿对器件性能和稳定性的微妙影响 (Solar RRL20204, 2000107)。研究发现,疏水型的邻氟、间氟、对氟苯乙胺不仅可以有效地阻挡水分子的入侵,同时还可以钝化钙钛矿表面缺陷有效地促进了空穴向HTM层传输,从而抑制perovskite/HTM界面间的非辐射复合。最终基于碘化邻氟苯乙胺处理的器件开路电压最高可以达到1.21 V。此外,已有研究表明,在钙钛矿薄膜中引入氟化的苝四羧酸二酰亚胺可以提高钙钛矿太阳能电池的光伏性能和热稳定性 (Adv. Energy Mater.20199, 1900198)。导电的苝四羧酸二酰亚胺分子充满钙钛矿薄膜的表面和晶界,能通过晶界钝化缺陷和促进电荷传输。结果,吸收层分别为MAPbI3 和 Cs0.05(FA0.83MA0.17)0.95Pb(Br0.17I0.83)3的钙钛矿太阳能电池的最高能量转换效率分别为18.28% 和 19.26%

基于以上工作思路,高鹏课题组以典型的n-i-p型PSCs为研究对象,报道了一个全面的双钝化 (DP) 策略最大化地减少钙钛矿表面和GBs缺陷,从而同时提高器件的性能和稳定性。


首先,作者系统地研究了在氯苯反溶剂中加入适量的烷基链上半氟化的苝分子FPD对钙钛矿薄膜表面形貌和结晶度的影响。稳态光致发光 (PL) 和 X射线光电子能谱 (XPS) 测试表明,FPD上的羰基 (C=O) 官能团能与未配位的Pb2+ 螯合钝化钙钛矿GBs中的缺陷,从而减少零价铅的形成。此外,通过X射线衍射 (XRD)、表面扫描电子显微镜 (SEM)、共聚焦激光扫描显微镜 (CLSM) 等表征验证了FPD分子上的氟原子与钙钛矿中的甲胺基团(MA)形成较强的氢键 (F…H-N),可以固定MA+,减缓MA的结晶速度,改善薄膜质量,从而实现了良好的热稳定性。


研究者发现尽管优化后器件的PCEs得到了改进,但基于FPD的器件仍然存在0.46 eV较大的VOC损失。研究表明,这种电压损失与钙钛矿薄膜表面缺陷处的复合有很强的关系。在这种情况下,作者希望当使用FPD添加剂作为内部钝化剂时,能够进一步减少三维 (3D) 钙钛矿的表面缺陷。作者采用碘化邻氟苯乙胺 (oFPEAI) 的异丙醇 (IPA) 溶液后处理3D钙钛矿表面,可以在3D钙钛矿顶部原位形成一层薄的二维钙钛矿钝化层。因此,新的DP策略通过缺陷钝化延长了载流子寿命,抑制了非辐射复合损失,从而将VOC从1.10 V提高到1.18 V,对应的VOC亏损为0.39 eV。在最优条件下,作者实现了23.80%的稳定PCE。研究发现,除了DP策略提供的优异的耐热和耐湿性能外,空位型缺陷 (如碘空位) 的有效钝化成功地抑制了O2- 的生成,这也是首次发现在3D钙钛矿表面形成的2D钙钛矿能够有效地抑制超氧离子的产生。该研究为提高钙钛矿材料的热、湿、氧稳定性提供了新的思路,并有助于开发新的钝化方法。


这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上,文章的第一作者是中科院福建物质结构研究所博士研究生周勤
文献详情:
Dually-Passivated Perovskite Solar Cells with Reduced Voltage Loss and Increased Super Oxide Resistance
Qin Zhou, Yifeng Gao, Chunsheng Cai, Zhuangzhuang Zhang, Jianbin Xu, Zhongyi Yuan, Peng Gao
Angew. Chem. Int. Ed.2021, DOI: 10.1002/anie.202017148


weinxin
我的微信
关注我了解更多内容

发表评论

目前评论: