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准二维钙钛矿的生长动力学探索及其高性能太阳能电池

与三维钙钛矿太阳能电池相比,准二维有机无机杂化钙钛矿材料不仅具有光电性能可调的特点,还具有优异的环境稳定性。最近,很多文献报道通过旋涂的方法得到的准二维钙钛矿薄膜具有相不均匀的性质,靠近基底部分低n值的相比较多,远离基底部分高n值的相较多。这种结构的薄膜形成的梯度能带结构,可能有利于载流子的传输。最近,北京大学工学院周欢萍研究员课题组通过原位PL解析了准二维钙钛矿薄膜结晶成长的动力学机制,并发现FA离子可很大程度上改变准二维钙钛矿薄膜的结晶动力学过程。研究发现,当部分FA离子取代MA离子后,材料的光电学性质均得到很大程度的提高,器件性能从10.70%提高到12.81%,是目前n=4的准二维钙钛矿太阳能反式结构电池的最高效率。这种器件的稳定性也非常优异,无任何封装的条件下在空气中放置1300个小时,器件性能仍能保持原来的85%以上。该项工作“Exploration of Crystallization Kinetics inQuasi Two-Dimensional Perovskite and High Performance Solar Cells”最近发表在国际顶级期刊JACS上(影响因子13.858)。该项工作的第一作者为北京大学工学院博士研究生周宁。

本研究设计得到不同MA,FA比例的(BA)2(MA,FA)3Pb4I1准二维钙钛矿薄膜,通过研究其微观形貌,相结构,取向及原位PL跟踪的生长动力学过程,从实验上研究证明低n值的相在动力学上会优先于高n值的相形成,从而形成梯度结构,并发现过量的FA会很大程度上改变这种动力学过程,形成非高度取向的薄膜结构,影响准二维钙钛矿的载流子的传输。通过优化发现,20%的FA含量可得到较好的光电性能,制备的太阳能电池能量转化效率可达12.81%。

准二维钙钛矿的生长动力学探索及其高性能太阳能电池

图1. (a) 不同组分的 XRD 图, (b)-(e) (BA)2(MA1-xFAx)3Pb4I13 x=0, 0.2, 0.4, 0.6 的 SEM图。

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图 2. (BA)2(MA1-xFAx)3Pb4I13 x=0, 0.2, 0.4, 0.6 薄膜的 GIWAXS 衍射图纹。

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图3. (a) 从正面激发的(BA)2(MA,FA)3Pb4I13准二维钙钛矿薄膜的稳态PL图; (b) (BA)2(MA,FA)3Pb4I13准二维钙钛矿薄膜的TRPL图。

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图4. (a) (BA)2(MA0.8FA0.2)3Pb4I13结构图解; (b) (BA)2(MA0.4FA0.6)3Pb4I13结构图解; (c) BA2(MA)3Pb4I13薄膜生长的原位PL图(探测波长585 nm (n=2), 670 nm (n=4), 和 780 nm (n=∞)。

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图 5. (a) 准二维钙钛矿太阳能电池器件结构; (b) BA2(MA)3Pb4I13 (BA)2(MA0.8FA0.2)3Pb4I13基太阳能电池的J-V曲线和 (c) EQE 图; (d) 和 (e) 不同光强对Jsc 和 Voc的关系; (f) 无任何封装的条件下,器件在40%-60%湿度的空气中储存1300个小时的稳定性。

 

周欢萍研究员课题组自建立两年来,一直致力于发展高效率,高稳定的钙钛矿型太阳能电池。随着对有机/无机钙钛矿材料认识的加深,其更进一步的研究挑战主要是如何理性地设计晶体结构(热力学),调控其晶体生长过程(动力学),以实现所需要的晶体性质,从而更好地提高相应光电器件的性能及稳定性。我们针对有机/无机钙钛矿材料的晶体结构以及微介观结构进行研究,主要着眼于晶体设计、可控合成、及多晶薄膜生长过程中的形貌、结构/微结构的控制和缺陷化学,并取得了一系列重要进展。相关文章发表在:J. Am. Chem. Soc., DOI:10.1021/jacs.7b11157; Adv. Mater., 2017, DOI:10.1002/adma.201606774; Adv. Mater., 2016, 28(44):9862-9868;ACS nano, 2017, 11 (9), 8804-8813; Nano Energy, 2017, 40, 540-549; Small 2017, 13, 1700484等。

感谢国家自然科学基金(51722201,51672008,91733301), 国家重点研发计划(2017YFA0206701), 国家青年千人项目,新奥集团和上海光源BL14B1同步辐射装置(SSRF)提供测试。

Ning Zhou, Yiheng Shen, Liang Li, Shunquan Tan, Na Liu, Guanhaojie Zheng, Qi Chen, Huanping Zhou, Exploration of Crystallization Kinetics in Quasi Two-dimensional Perovskite and High Performance Solar Cells, Journal of the American Chemical Society (2017), DOI:10.1021/jacs.7b11157

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