材料Adv.Mater半導(dǎo)體化學(xué)添加劑修飾制備高效率且穩(wěn)定反式平面鈣鈦礦電池

1、第 PAGE6 頁(yè) 共 NUMPAGES6 頁(yè)Adv.Mater 半導(dǎo)體化學(xué)添加劑修飾制備高效率且穩(wěn)定的反式平面鈣鈦礦電池【引言】有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其高的光電轉(zhuǎn)換效率及簡(jiǎn)單廉價(jià)的制備工藝，在光伏領(lǐng)域掀起了新的研究熱潮，是當(dāng)前發(fā)展最快的新一代薄膜光伏器件。短短幾年內(nèi)，有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦電池效率已經(jīng)超過(guò) 23%，與商業(yè)化的晶硅太陽(yáng)能電池相當(dāng)。已有大量研究報(bào)道通過(guò)調(diào)控鈣鈦礦薄膜形貌及結(jié)晶性來(lái)提高鈣鈦礦電池的效率及穩(wěn)定性，其中化學(xué)添加劑因其可在低溫過(guò)程中進(jìn)行有效處理的優(yōu)勢(shì)被廣泛采用。然而此類添加劑固有的絕緣性質(zhì)阻礙了鈣鈦礦層中載流子的有效提取和傳輸，進(jìn)而限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。在該研究中

2、，作者報(bào)道使用半導(dǎo)體有機(jī)共軛分子作為添加劑，反溶劑步驟中引入，在增加鈣鈦礦薄膜晶粒尺寸的同時(shí)不影響載流子的傳輸，進(jìn)而顯著提高反式鈣鈦礦電池器件的性能?！境晒?jiǎn)介】近日，韓國(guó)蔚山國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究所 Myoung Hoon Song 教授等人使用半導(dǎo)體化學(xué)添加劑來(lái)調(diào)控鈣鈦礦薄膜的形貌和性能。研究人員分別選用 MAPbI 3 和(FAPbI 3 ) 0.8 (MAPbBr 3 ) 0.2 鈣鈦礦組分作為光吸收層，設(shè)計(jì)了兩種半導(dǎo)體化學(xué)添加劑，分別為 SA-1 和SA-2 (化學(xué)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1)，設(shè)計(jì)思路為以羅丹寧為核心功能基團(tuán)，引入到芴分子類似物兩端，后在 SA-1 分子基礎(chǔ)上添加叔胺基進(jìn)而設(shè)計(jì)得到 S

3、A-2。團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)由于羅丹寧基團(tuán)與鈣鈦礦發(fā)生路易斯酸堿作用，經(jīng) SA 處理的鈣鈦礦薄膜晶粒尺寸明顯增加。同時(shí)SA 的引入促進(jìn)了鈣鈦礦薄膜中光生載流子的快速提取，顯著提升了器件的電流密度。此外因 SA-2 中叔胺基的引入，有效鈍化了界面和表面的缺陷，進(jìn)一步改善了鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，基于(FAPbI 3 ) 0.8 (MAPbBr 3 ) 0.2 的反式鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá) 20.3%，并在 40%的濕度環(huán)境下展現(xiàn)了優(yōu)異的工作穩(wěn) 定 性 。相 關(guān) 成 果 以 題 為 “Highly Efficient and Stable Inverted Perovskite Sola

4、r Cell Obtained via Treatment by Semiconducting Chemical Additive”發(fā)表在 Adv.Mater.上?！緢D文導(dǎo)讀】圖一 有機(jī)共軛分子結(jié)構(gòu)及鈣鈦礦薄膜的制備與形貌表征(a) Glass/ITO/HTL/Perovskite/PCBM/ZnO/Ag 鈣鈦礦電池器件結(jié)構(gòu)示意圖以及有機(jī)共軛分子 SA-1、SA-2 和羅丹寧的化學(xué) 結(jié) 構(gòu) ； (b) 鈣鈦礦薄膜制備工藝示意圖，其中 SA 分子加入氯苯中作為反 溶 劑 引 入 ； (c) SA 修 飾 后 的 鈣 鈦 礦 薄 膜 中 電 荷 提 取 機(jī) 理 闡 述 ；(d) 不同鈣鈦礦薄膜表面

5、 SEM，加入 SA 分子后，由于羅丹寧與鈣鈦礦的路易斯酸堿作用，薄膜晶粒尺寸明顯增加。圖二 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能表征(a) MAPbI 3 基 鈣 鈦 礦 電 池 J-V 性 能 曲 線 ； (b) FAMA 基鈣鈦礦電池的最佳 J-V 正反掃性能曲線； (c) FAMA 基 鈣 鈦 礦 電 池 的 EQE 光 譜 ； (d) SA-2 修飾的鈣鈦礦電池在最大功率點(diǎn)處的穩(wěn)態(tài)輸出測(cè)試。圖三 鈣鈦礦薄膜的載流子動(dòng)力學(xué)及缺陷鈍化表征(a) 鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)態(tài) PL 光譜；(b) 鈣 鈦 礦 薄 膜 的 TRPL 光 譜 ； (c) 純 電 子 傳 輸 的 鈣 鈦 礦 器 件ITO/SnO 2 /pe

6、rovskite/PCBM/LiF/Ag 的 J-V 曲 線 ； (d) 鈣鈦礦電池的暗態(tài) J-V 曲線，根據(jù)顯著減小的暗電流推斷出器件明顯增加的 Voc，進(jìn)一步證明了 SA-2 的缺陷鈍化作用 ； (e) 純電子傳輸?shù)拟}鈦礦器件的 SCLC 測(cè)試表明 SA-2 處理的鈣鈦礦器件顯示出更低的缺陷密度，進(jìn)一步表明 SA-2 缺陷鈍化的 有 效 性 ； (f, g) 強(qiáng)度調(diào)制光電流(IMPS)和光電壓譜(IMVS)的 Nyquist圖，進(jìn)一步證明 SA-2 促進(jìn)了光生載流子的快速提取以及缺陷的有效鈍化。圖四 鈣鈦礦電池器件穩(wěn)定性測(cè)試(a) 鈣鈦礦電池器件在持續(xù)光照下的穩(wěn)定性測(cè)試（溫度 25，濕 度

7、 60% ）； (b) 鈣鈦礦電池器件在無(wú)光照下的穩(wěn)定性測(cè)試（溫度 25，濕度 40% ）； (c) 鈣鈦礦電池器件在氮?dú)馐痔紫渲?100熱穩(wěn)定性測(cè)試； (d) 鈣鈦礦薄膜的接觸角測(cè)試?！拘〗Y(jié)】在該研究中，作者在鈣鈦礦薄膜中引入半導(dǎo)體化學(xué)添加劑，制備得到高效率且穩(wěn)定的倒置結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦電池。研究人員通過(guò)在鈣鈦礦層中引入 SA-1，顯著提高了器件的短路電流和填充因子，最高效率為 18.8%，其效率的改善主要?dú)w因于鈣鈦礦膜中較大晶粒的形成以及 SA-1 的較高載流子遷移率，進(jìn)而減少了晶界并改善了載流子的提取。此外，在鈣鈦礦層中引入了含有叔胺基的半導(dǎo)體化學(xué)添加劑 SA-2，對(duì)表面缺陷和晶界缺陷進(jìn)行了有效鈍化，器件性能及穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，效率最高可達(dá) 20.3%。這也是目前報(bào)道的首次使用半導(dǎo)體化學(xué)添加劑來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦的晶粒尺寸增加、光生載流子有效提取以及鈣鈦礦薄膜中的缺陷鈍化。文獻(xiàn)：Highly Efficient and Stable Inverted Perovsk