浙江大學/香港中文大學AEM: 苯基乙基銨陽離子基二維鈣鈦礦太陽電池

【引言】

近年來，鈣鈦礦薄膜太陽能電池的發展前景如火如荼，但目前仍存在諸多方面的問題，如：理論尚未完善、成本仍需降低、轉換效率和穩定性有待提高、實驗方案及電池結構也要更優化。此外，提高二維鈣鈦礦基太陽能電池（PVSCs）的功率轉換效率（PCE）也是急需解決的問題。

【成果簡介】

近日，浙江大學吳剛教授、陳紅征教授和香港中文大學路新慧助理教授（共同通訊作者）等人在Adv. Energy Mater. 上發表了一篇關于提高二維鈣鈦礦太陽電池效率的文章，題為“Orientation Regulation of Phenylethylammonium Cation Based 2D Perovskite Solar Cell with Efficiency Higher”。該研究表明：增加2D鈣鈦礦薄膜的垂直取向度是提高PCE的有效方法。通過一步旋涂法，借助硫氰酸銨（NH₄SCN）制備垂直取向高度結晶的2D (PEA)₂(MA)_n-1Pb_nI_3n+1（PEA =苯基乙基銨，MA=甲基銨，n=3,4,5）。在n=5時，PVSC的PCE從原來的0.56％（不含NH₄SCN）提高到11.01％，這是在（n <10）2D鈣鈦礦PVSC中，NH₄SCN的最優添加量。經證實該結構的2D鈣鈦礦薄膜的濕度穩定性良好，同時該研究有望極大地促進高效穩定的PVSC的商業化發展。

【圖文導讀】

圖1?添加不同量SCN的（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜的理論和實驗數據

（a）基于（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜的PVSC的能帶圖；

（b）基于（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜的PVSC的電流密度-電壓圖；

（c）基于（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜的PVSC的EQE光譜；

（d）（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜（2SCN）的PVSC的集成光電流曲線。

圖2?添加不同量SCN的（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜的SEM圖

（a）不添加SCN的（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜的SEM圖像，頂視圖和橫截面（插圖）；

（b）添加1 SCN的（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜的SEM圖像；

（c）添加1.5 SCN的（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜的SEM圖像；

（d）添加2 SCN的（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜的SEM圖像；

（e）添加2.5 SCN的（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜的SEM圖像；

（f）添加3 SCN的（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜的SEM圖像。

圖3?添加不同量SCN的（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜的XRD/FWHM

（a）添加不同量的SCN的（PEA）₂（MA）₄ Pb ₅I₁₆膜的XRD圖譜；

（b）添加不同量的SCN的（PEA）₂（MA）₄ Pb ₅I₁₆膜的衍射峰強度和FWHM。

圖4?添加不同量的SCN的（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜的GIWAX圖

（a）0 SCN；

（b）1 SCN；

（c）2 SCN；

（d）為c中所示q_r=1.30-1.42范圍的GIWAX衍射強度；

（e）SCN增加（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜垂直取向的示意圖。

圖5?（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆鈣鈦礦的PL光譜

（a）在ITO / PEDOT：PSS襯底上的（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆（n = 5）鈣鈦礦的穩態PL光譜；

（b）在ITO / PEDOT：PSS襯底上的（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆（n = 5）鈣鈦礦的PL衰變。

圖6?（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜的穩定性和取向度的關系

（a）未取向的（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆（n = 5）鈣鈦礦的XRD；

（b）垂直取向的（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆的XRD。

圖7?鈣鈦礦薄膜PVSC的PCE圖

基于（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆（n = 5）鈣鈦礦薄膜的PVSC在N₂手套箱和空氣中，濕度為55±5％，進行濕度穩定性試驗。

【小結】

采用一步旋涂法制備二維鈣鈦礦（PEA）₂（MA）_n-1Pb_nI_3n+1（n=3,4,5）膜，借助NH₄SCN作添加劑，使（PEA）₂（MA）_n-1Pb_nI_3n+1膜具有垂直取向。最終確定NH₄SCN的最優添加量為2SCN且n的最優值為n=5，所得產物2D（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜的結晶度、垂直取向、電子和空穴遷移率以及濕度穩定性均取得較好結果。基于2D（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜的PVSC的最佳PCE為11.01％，JSC為15.01 mA/cm²，VOC為1.11 V ，填充因子為0.67；在濕度為55±5％的空氣中儲存160小時后仍保留其原始PCE的78.5％。這項研究為制造高PCE和良好穩定性的PVSC提供了可能性。

?文獻鏈接: Orientation Regulation of Phenylethylammonium Cation Based 2D Perovskite Solar Cell with Efficiency Higher. ( Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201702498/abstract )

本文由材料人編輯部蔡冠宇編譯，劉宇龍審核，點我加入材料人編輯部。

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