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Eu卟啉配合物完美钝化钙钛矿晶界提高钙钛矿太阳能电池的整体稳定性

本文亮点
1. 本文将稀土Eu卟啉配合物Eu-pyP)掺杂到MAPbI3钙钛矿前驱体溶液中,成功地构造了2D结构(Eu-pyP)0.5MAn-1PbnI3n + 1,并且发现2D结构的钙钛矿镶嵌在3D多晶薄膜的晶界处,很好的钝化了晶界处的缺陷。
2. 基于具有光转换功能的稀土配合物Eu-pyP掺杂的钙钛矿膜的器件效率可达18.2%。此外,在AM 1.5 G,85℃和45%湿度下,Eu-pyP掺杂的电池器件在100小时内仍保留超过85%初始效率,而纯MAPbI3器件效率迅速下降至10%。因此,Eu-pyP配合物修饰的器件可同时提高钙钛矿太阳能电池对水,热和太阳光(包括紫外线)的抵抗力,也为钝化缺陷提供了一条新途径。
【前沿部分】
有机-无机杂化钙钛矿材料因其卓越的光电性能而备受青睐。目前,钙钛矿太阳能电池已认证的效率超过了23%,可与商业化的单晶硅电池相媲美。而钙钛矿薄膜常采用简易的低温溶液法来合成,这大大降低了制作成本,但低温溶液法远远未达到热力学平衡,不可避免的会形成多晶结构。多晶结构的表面或晶界往往存在大量缺陷,这对钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性来说非常不利。目前,研究者们主要采用界面修饰,改变化学组成等手段来解决这个棘手的问题,但往往很难同时实现高的光电转化效率和长久的环境稳定性。已报道的修饰分子多为有机小分子,常通过构筑2D结构来增强水稳定性,但很难同时实现水热及光稳定性。
最近,兰州大学曹靖青年研究员和唐瑜教授课题组将稀土Eu卟啉配合物(Eu-pyP)掺杂到MAPbI3钙钛矿前驱体溶液中,成功地构造了2D结构(Eu-pyP)0.5MAn-1PbnI3n + 1,且2D结构的钙钛矿镶嵌在3D多晶薄膜的晶界处,很好的钝化了晶界处的缺陷。基于Eu-pyP掺杂的钙钛矿膜的器件效率可达18.2%。此外,发现Eu-pyP配合物修饰的器件在提高钙钛矿太阳能电池水热稳定性的同时,还可以提高对紫外光的稳定性。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Science上,共同第一作者为兰州大学在读博士冯小霞,厦门大学陈睿豪,南子昂。
【核心内容】
Eu卟啉配合物完美钝化钙钛矿晶界提高钙钛矿太阳能电池的整体稳定性图一. 2D-3D混合钙钛矿的示意图及Eu-pyP处理MAPbI3中间体构造2D-3D阶梯状钙钛矿的过程。
首先通过Eu-pyP对钙钛矿MAPbI3中间体处理,构造了2D-3D阶梯状结构。
Eu卟啉配合物完美钝化钙钛矿晶界提高钙钛矿太阳能电池的整体稳定性
图二. XRD和SEM 证明Eu-pyP对MAPbI3中间体处理得到的2D-3D结构。
通过XRD证明Eu-pyP对MAPbI3中间体处理后,确实形成了2D-3D混合结构,接着用SEM证明了2D-3D阶梯混合钙钛矿结构的形成。
Eu卟啉配合物完美钝化钙钛矿晶界提高钙钛矿太阳能电池的整体稳定性
图三. 基于Eu-pyP对MAPbI3中间体处理得到的膜的器件的光电性能。
Eu-pyP对钙钛矿表面处理后,电池效率略有降低。但是由于2D钙钛矿形成提高电池的水和热稳定性。
Eu卟啉配合物完美钝化钙钛矿晶界提高钙钛矿太阳能电池的整体稳定性
图四. 将Eu-pyP直接掺杂到MAPbI3的前驱体溶液中,构造2D-3D混合钙钛矿的过程及其器件的光电性能。
将Eu-pyP直接掺杂到MAPbI3的前驱体溶液中,发现2D片状结构镶嵌在3D钙钛矿的晶界处,对其光电性能有略微的影响。但由于Eu-pyP修饰的MAPbI3器件缺陷减少,其迟滞有所降低。
Eu卟啉配合物完美钝化钙钛矿晶界提高钙钛矿太阳能电池的整体稳定性
图五. 基于掺杂Eu-pyP的MAPbI3的器件在不同条件下的稳定性。
由于Eu-pyP对紫外光有一定的抵抗力,而中间体处理使得大部分Eu-pyP裸露在钙钛矿表面,对光稳定性几乎没有贡献,而掺杂到体相内可以充分吸收紫外光,从而在提高电池水热稳定性的同时,还可以提高紫外线的稳定性。
【总结与展望】
研究人员将Eu卟啉配合物Eu-pyP引入到MAPbI3钙钛矿体系中,成功地构造了2D(Eu-pyP)0.5MAn-1PbnI3n + 1,并且发现2D结构的钙钛矿镶嵌在3D多晶薄膜的晶界处或表面,很好的钝化了缺陷。基于Eu-pyP掺杂的钙钛矿膜的器件效率可达18.2%。此外,Eu-pyP修饰的器件可同时提高钙钛矿太阳能电池对水,热和太阳光(包括紫外线)的抵抗力,也为钝化缺陷提供了一条新途径。
Xiaoxia Feng, Ruihao Chen, Zi-Ang Nan, Xudong Lv, Ruiqian Meng, Jing Cao,* and Yu Tang, Perfection of Perovskite Grain Boundary Passivation by Eu-Porphyrin Complex for Overall-Stable Perovskite Solar Cells, Advanced Science, DOI:10.1002/advs.201802040

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参考文献:Advanced Science

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