​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程

​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程

第一作者:Wangchun Xiang

通讯作者:Wangchun Xiang, Anders Hagfeldt和Zaiwei Wang

通讯单位:陕西师范大学;乌普萨拉大学(瑞典)


金属卤化物钙钛矿作为最有前途的光伏材料之一,在世界范围内受到相当大的关注。为了获得长期稳定的高性能钙钛矿太阳电池,制备光滑、无孔洞、全覆盖的以及具有良好异质结接触和光活性的高质量钙钛矿薄膜至关重要。在钙钛矿薄膜溶液法制备中,退火之前的前驱体被称为中间相,这对于最终的薄膜质量具有决定性影响。


【工作介绍】

在这篇综述中,作者们对于各种溶液方法制备钙钛矿薄膜过程中涉及到的中间相工程(Intermediate phase engineering,IPE)的机理和应用进行阐述和总结,并对未来利用IPE制备高性能钙钛矿太阳电池面临的挑战和前景进行讨论。该工作以“Intermediate phase engineering of halide perovskites for photovoltaics”为题发表在著名期刊Joule上。

​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程

图1 通过中间相工程制备钙钛矿薄膜


【内容详情】

表1 利用不同中间相工程制备薄膜方法中间相的作用

​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程


基于PbX2 和溶剂的中间相工程

PbX2和溶剂的中间相工程在两步法中被广泛研究。该方法通过溶剂与AX的分子内交换反应或通过AX对PbX2的完全渗透,促进PbX2向钙钛矿相的完全转变。使用该方法得到的PbX2薄膜的具有较多晶界和较大的孔密度。

​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程

图2 两步法中利用中间相工程制备钙钛矿薄膜


基于钙钛矿前驱体和溶剂的中间相工程

钙钛矿前驱体(ABX3)和溶剂的中间相与PbX2 和溶剂形成的中间相不同,这是由于AX对PbX2有较强的相互作用。钙钛矿前驱体和溶剂的中间相在一步溶液法、MA气体后处理、溶剂化方法和使用反溶剂方法中被广泛研究。


1)一步法

在一步溶液法中,形成的中间相(ABX3-溶剂)可以调控结晶过程,提高钙钛矿薄膜的结晶度,最终形成均匀的钙钛矿薄膜。

​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程

图3 一步法中的中间相工程制备钙钛矿薄膜


2)MA气体后处理法

在使用MA气体后处理方法中,由于MA具有较低的沸点(6℃)和较强的与Pb2+的配位能力,可用来修复钙钛矿薄膜,溶剂化钙钛矿前驱体,以获得高质量钙钛矿薄膜,因此MA气体被视作一种特殊的“溶剂”。在液态MAPbI3-xMA中间相中,MA气体快速蒸发导致溶液过饱和状态形成,产生大量晶核,因此能够促进形成均匀的钙钛矿薄膜。

​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程

图4  MA气体后处理制备钙钛矿薄膜


3)反溶剂法

反溶剂方法被广泛应用于一步法中。在反溶剂方法中,钙钛矿前驱体溶液中使用的溶剂类型和用量以及反溶剂的种类都对中间相的形成以及最终钙钛矿薄膜有根本性的影响。这种中间相能够延长反溶剂滴加形成均匀钙钛矿的过程,从而提高钙钛矿薄膜的质量。

​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程

图5 反溶剂方法制备钙钛矿薄膜的中间相工程


基于钙钛矿前驱体和添加剂的中间相工程

各种各样的有机胺盐或者有机酸AʹXʹ(Aʹ通常为H+, NH4+, MA+,FA+, DMA+等,Xʹ 通常为Cl, Br, I, Ac, NO3, HPO3, SCN等)和钙钛矿前驱体有很强的结合能力,在刚制备好的薄膜中,没有溶剂分子的参与下,能够形成中间相ABX3-AʹXʹ。通常情况下,在退火完成后,最终的钙钛矿薄膜中不含有这些添加剂。这些添加剂在以下三个方面有重要作用:一是控制薄膜形貌和缺陷态密度;二是提高界面接触;三是形成具有光活性的钙钛矿相。

​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程

图6 利用添加剂制备钙钛矿薄膜的中间相工程


【结论与展望】

中间相工程对于制备高质量纯相的杂化钙钛矿薄膜来说是一种简单有效的方法,通过调节中间相成分,可以有效调控钙钛矿薄膜的结晶动力学。因此,中间相工程被广泛应用于制备高质量薄膜以获得高效钙钛矿太阳电池。尽管如此,中间相工程中涉及到的作用和机理还尚未清楚,仍需进一步探究。为了更好的阐述中间相机理和作用,作者推荐采用以下技术:XRD对于揭示中间相晶体结构非常重要,例如可采用原位探测手段来探究中间相形成和转化过程的结晶动力学;同时理论支持是不可或缺的,在未来应发展和中间相相关的根本性理解和理论解释。


Wanchun Xiang, Jiahuan Zhang, Shengzhong (Frank) Liu,Steve Albrecht,Anders Hagfeldt, and Zaiwei Wang, Intermediate phase engineering of halide perovskites for photovoltaics

https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.11.013


清华曲良体教授&北理张志攀教授&赵扬研究员AM:一种具有超高能量密度的柔性水系微型锌碘电池

2022-02-14

​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程

天津大学许运华教授团队PNAS:超高比能量!基于六电子反应机制的有机硝基化合物锂电池正极材料

2022-02-08

​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程

可挥发固体添加剂辅助连续沉积法获得效率18.42%有机太阳电池

2022-01-30

​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程

双功能隔膜设计实现高吸液率和锂离子迁移数

2022-01-28

​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程

原位技术模拟和破译析氧反应电催化剂的结构演变过程

2022-01-26

​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程

ACS Nano:纳米氧化铁负极容量负衰减的起源

2022-01-25

​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程

LLZO固态电解质在空气中的表面污染与催化

2022-01-25

​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程

木士春教授:具有高效水和海水氧化反应特性的Ni3S2/Fe-NiPx球形魔方

2022-01-20

​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程

中科院宁波材料所姚霞银团队:80 wt%无机固含量的柔性钠电复合固体电解质助力高性能固态钠电池

2022-01-17

​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程

AEnM: 使用新型凝胶/海绵复合材料的高安全性、耐用性、适应性及柔性的燃料电池

2022-01-14

​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程

陈宇辉JACS:锂氧电池真正的反应界面

2022-01-13

​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程

Jeff Dahn:1%钨掺杂大幅提升LiNiO2循环寿命和比容量!

2022-01-09

​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程


​Joule综述: 光伏领域钙钛矿中间相工程

本文由能源学人编辑liuqiwan发布整理,非特别说明为独家版权,转请注明出处:https://nyxr-home.com/74740.html

参考文献: