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阴阳离子协同钝化策略实现高效稳定钙钛矿太阳能电池

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  阴阳离子协同钝化策略实现高效稳定钙钛矿太阳能电池。 2022年4月27日,南京工业大学秦天石教授团队在Matter期刊上发表了一篇题为An ammonium-pseudohalide ion pair for synergistic passivating surfaces in FAPbI3 perovskite solar cells的最新研究成果。

   该研究工作报道了通过阴阳离子协同钝化策略,实现了在钙钛矿表面同时构建低维钙钛矿层及含双硫螯合钝化层,从而有效提高钙钛矿太阳能电池效率及稳定性。阴阳离子协同效应的开发为促进钙钛矿太阳能电池(PSC)的开发和商业化提供了更多的机会。

   研究亮点

   1 阴(拟卤素)-阳(烷基铵)离子对甲脒基钙钛矿正负电荷缺陷进行协同钝化。

   2 该离子对将甲脒基钙钛矿中的缺陷转化为两个防水隔离层。

   3 钝化的纯甲脒基钙钛矿太阳能电池实现23.21%的效率和出色的稳定性。

   成果简介

   近日,南京工业大学秦天石教授团队在纯相甲脒基钙钛矿太阳能电池(FAPbI3 PSC)取得重要进展,该研究通过钙钛矿表面铵-拟卤离子对的协同钝化作用,有效减少钙钛矿表面未配位碘化铅缺陷,同时对甲脒空位具有强烈氢键作用,协同钝化钙钛矿阴阳离子缺陷,展示出该协同钝化效应的多功能性及强相互作用力,为探索开发钙钛矿缺陷钝化提供新的研究思路和策略。

   要点一:铵-拟卤离子对与碘化铅协同反应作用

   通过单独烷基铵阳离子及拟卤阴离子与碘化铅的强配位作用,实现单晶晶体的生长(如图1C和1G),探究阴阳离子对钙钛矿的缺陷钝化作用。具有铵阳离子的低维钙钛矿DEAPbI3具有与FAPbI3相当的Pb-I距离(3.03~3.47Å),表现为DEAPbI3的(100)和(110)晶格空间上的规则排列和FAPbI3晶体表面上的外延生长(如图1D);具有拟卤阴离子的双螯合结构Pb(DEDTC)2具有比FAPbI3钙钛矿中的Pb-I距离更短的Pb-S键距离(2.72~2.91Å)(如图1H),表明其具有比碘铅酸盐簇更强的键合能力。并通过核磁表征表明后处理过程中发生的原位反应(如图1E):2DEA-DEDTC + PbI2 → 2DEA-I + Pb(DEDTC)2。该反应证明DEA-DEDTC中的铵阳离子和拟卤化物阴离子都具有多键优势,并且可以协同钝化FAPbI3钙钛矿中碘铅酸盐簇上的缺陷。

  

   图1:烷基铵-拟卤离子对与碘化铅的结合作用

   要点二:烷基铵-拟卤离子对与钙钛矿表面协同反应作用

   通过铵-拟卤离子对后处理钙钛矿表面研究纳米级界面结构的改变,二维广角X射线散射(2DWAXS)证明钙钛矿表面低维钙钛矿的形成(如图2A和2B),高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)证明铵-拟卤离子对诱导的低维晶畴保持在FAPbI3晶体表面处外延生长。同时,铵-拟卤离子对诱导的双层防水隔离层在钙钛矿表面的分布也得到了证明(如图2D和2E)。

  

   图2:钙钛矿薄膜的纳米级界面结构

   要点三:烷基铵-拟卤离子对与钙钛矿表面协同钝化作用

   由于铵-拟卤离子与钙钛矿表面的协同反应作用,表现在对钙钛矿表面的协同钝化作用。通过对钙钛矿表面一系列元素的紫外光电子能谱表征表明:(1)铵-拟卤离子对存在于钙钛矿表面起钝化作用(如图3A);(2)铵-拟卤离子对有效抑制钙钛矿氧化降解(如图3B);(3)铵-拟卤离子与钙钛矿发生能量转移,有效抑制钙钛矿铅元素(Pb0)的产生,实现协同钝化缺陷作用(如图3C和3D)。并实现缺陷态密度减少将近一半(如图3E),有效改善钙钛矿表面能级水平(如图3F),有利于提高器件的开路电压。

  

   图3:钙钛矿薄膜的表面缺陷和能级表征

   要点四:协同钝化钙钛矿薄膜光学物理研究

   进一步地,协同钝化作用对钙钛矿薄膜晶粒尺寸具有明显改善作用,晶粒尺寸将近2μm,同时有效抑制碘化铅的形成(如图4A和4B);另外,该钝化策略有效增加辐射复合寿命,提升将近一倍,有效抑制非辐射复合,提升器件性能。

  

   图4:钙钛矿薄膜的XRD和光学表征。

   要点五:烷基铵-拟卤离子对对器件性能提升研究

   阴阳离子协同钝化策略表现在对钙钛矿太阳能电池性能的提升,基于最优钝化条件的器件具有明显的效率提升,从20.60%提高到23.21%(如图5A),效率的提升主要来源于开路电压和填充因子的提升,原因为铵-拟卤离子对对钙钛矿表面缺陷的钝化策略改善了器件中的载流子传输和界面稳定性(如图5D-5F)。更重要的是,缺陷的减少,有利于提升钙钛矿太阳能电池的使用寿命,表现在器件在最大输出功率点具有良好的输出稳定性(如图5C),并在连续光照下及室温存储下表现出超过1,000小时的稳定性,同时,薄膜在85℃热应力下表现出惊人的稳定性。

  

   图5:钙钛矿太阳能电池的光伏性能

   小结

   本文通过阴阳离子协同钝化构建两个防水隔离层,有效提供物理和化学钝化甲脒基钙钛矿缺陷,实现高效稳定钙钛矿太阳能电池,为探索开发钙钛矿缺陷钝化提供新的研究思路和策略。研究工作得到了国家重点研发计划(2017YFE0131900)、国家自然科学基金(91833306,62075094,52003118)及江苏省自然科学基金(BK20211537,BK20180339)的资助和支持。(来源:科学网)

   相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.04.006

  
作者:秦天石等 来源:《物质》

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分类标签:科学进展  

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