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工学院周欢萍课题组在《Nature Communications》发表碱性调控钙钛矿太阳能电池缺陷性质和结晶动力学研究重要进展

2019-03-08

3月7日,澳门在线威尼斯官方周欢萍团队与合编辑在碱性调控钙钛矿太阳能电池缺陷性质和结晶动力学的研究中取得重要进展,相关工作发表在著名期刊《自然·通讯》(Nature Communications),题为Impacts of Alkaline on the Defects Property and Crystallization Kinetics in Perovskite Solar Cells(DOI: 10.1038/s41467-019-09093-1),https://www.nature.com/articles/s41467-019-09093-1。

有机-无机杂化钙钛矿作为一种新兴的光电半导体材料,因其诸多优异的光电特性和低廉的制造成本,而受到了世界范围内的研究人员的广泛关注。从2009年至今,通过对钙钛矿材料性质、太阳能电池器件结构以及相关界面的不断深入研究,钙钛矿太阳能电池的光电转化效率从3.8%提升到了23.7%。不同于传统的硅材料,有机-无机杂化钙钛矿通常被认为是一种较软的离子晶体,在其多晶薄膜中容易形成各种各样的点缺陷(如空位、间隙离子、反位取代等),它们往往作为非辐射复合中心,影响薄膜的光致发光的量子效率,降低太阳能器件的光伏性能。

近年来,人们一直在努力探索这些缺陷,以揭示其形成和消除的机理。研究发现,缺陷的形成与溶液状态和加工条件息息相关,同时,通过添加合适的添加剂,改变溶液状态,控制薄膜加工条件,可以降低钙钛矿多晶薄膜中缺陷密度,从而提高相应的器件的光电转化效率。然而,目前对于如何大幅度消除各类碘基有机-无机杂化钙钛矿中的深能级缺陷,如间隙碘,还缺少普适可靠的手段。


图1:(a) 弱碱性消除钙钛矿薄膜深能级缺陷示意图。(b) 碱性影响钙钛矿薄膜结晶动力学示意图。

针对这一问题,周欢萍课题组及合编辑,通过在前驱液中引入碱性物种,促使单质碘杂质在不同的碱性环境下发生歧化反应,有效的抑制和消除了前驱液中的单质碘杂质。同时,碱性的引入进一步地影响了钙钛矿薄膜的结晶动力学和缺陷性质,大幅度提升了相应的钙钛矿光伏器件的开路电压和光电转化效率。该工作深入系统地研究了不同碱性强弱对前驱液中碘单质的歧化反应(碱性介质可使大部分零价碘缺陷还原成碘离子)、成膜过程中黄相黑相的结晶动力学(弱碱性介质有利于光活性相黑相的形成,而强碱性介质则抑制光活性相黑相形成)、钙钛矿薄膜中缺陷态密度的影响。同时,以乙酸甲脒作为一种“无残留”的弱碱性物质为例,可以有效地调控混卤钙钛矿(FA,MA,Cs)Pb(I,Br)3前驱体中阳离子的化学计量比,同时通过消除前驱液中的碘单质,大幅降低其薄膜中深层缺陷的密度。据此,该课题组成功制备了经美国Newport认证的20.87%效率的混卤钙钛矿太阳能电池,同时,开路电压损失也降低至413 mV,为平面钙钛矿太阳能电池中认证值电压损失最小的器件之一。


图2:太阳能电池光伏性能。(a) PVSK和PVSK-FA器件的电流-电压曲线。(b) 左图:PVSK和PVSK-FA薄膜的吸取和PL光谱;右图:PVSK和PVSK-FA器件开路电压统计直方图。(c) PVSK-FA器件的正反扫。(d) PVSK-FA器件的稳态电流密度和效率。PVSK和PVSK-FA器件的 (e) 瞬态光电压衰减曲线和 (f) 变光强开路电压曲线

该论文的第一编辑是周欢萍课题组2016级博士生陈怡华。周欢萍特聘研究员为通讯编辑。合编辑还包括北京理工大学陈棋课题组、香港科技大学黄勃龙课题组、南京工业大学王建浦课题组、国家纳米中心刘新风课题组、澳门大学邢贵川教授、中国科学院上海高等研究院李东栋研究员等。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京市自然科学基金、先进电池材料理论与技术北京市重点实验室等的联合资助。

 

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