青島能源所Adv. Mater.：變廢為寶—δ-FAPbI3穩定MAPbI3使器件效率超過21%

【引言】

在第三代光伏技術中，有機鉛鹵鈣鈦礦太陽能電池是一匹黑馬。提升器件能量轉換效率的本質是最小化載流子在活性層和界面層傳輸過程中的能量損失。在最初的階段，科研人員主要通過器件結構的改變，活性層組分的調節和成膜工藝的優化來提升器件效率。但是，鈣鈦礦膜是多晶膜，晶界處的缺陷一直存在，嚴重阻礙性能的改善。晶界處的淺缺陷態會將載流子在傳輸過程中分散；同時，不同界面層跟活性層之間的異質結會因為晶格的不匹配導致晶體結構的扭曲，進而產生深的缺陷態，嚴重減少開路電壓。

【成果簡介】

近日，Adv. Mater.上刊登了題為: “Trash into Treasure: δ-FAPbI3 polymorph stabilized MAPbI3 perovskite with power conversion efficiency beyond 21%“ 的文章。文章的通訊作者為中國科學院青島生物能源與過程研究所的逄淑平研究員、瑞士EPFL的Nazeeruddin M.K. 教授和中國科學院海西研究院廈門稀土材料研究所的高鵬研究員。文章的第一作者為張儀博士和周忠敏博士。

【本文亮點】

研究者們基于之前開發的methylamine (MA) 氣體修復技術，用于修復混合陽離子（MA_xFA_1-xPbI₃）鈣鈦礦薄膜，可以在三維鈣鈦礦薄膜中誘導生成一維δ-FAPbI₃結構。原位生成的一維的δ-FAPbI₃結構可以鈍化缺陷態，同時限制有機陽離子的擴散。通過鈍化修飾，鈣鈦礦薄膜器件光電轉化效率達到21%，同時，δ-FAPbI₃-MAPbI₃異質結薄膜穩定性明顯改善。

【圖文導讀】

圖1 相分離現象和薄膜的形貌

a , b, c）不同組分鈣鈦礦薄膜的XRD 衍射圖，U-V和PL光譜；

d, e ）MA_0.8FA_0.2PbI₃薄膜經甲胺氣體修復前(r-FA20)后(g-FA20)的SEM圖片；

f）在銅網上制備g-FA20材料的HRTEM圖片。

圖2 薄膜的結構和光物理表征

a）鈣鈦礦薄膜的掠射角XRD圖譜；

b） g-FA20薄膜不同位置的光電子能譜；

c）g-FA20, g-MA在不同基底上的PL光譜；

d）g-FA20, g-MA在不同基底上的PL decay 圖譜。

圖3 器件的結構和性能圖

a）g-FA20器件橫截面SEM圖像；

b）g-FA20, g-MA器件的J-V曲線；

c）g-FA20, g-MA器件的EQE曲線；

d）g-FA20, g-MA器件的光電壓衰變圖；

e）g-FA20, g-MA器件性能參數的分布圖。

圖4 材料和器件的穩定性

a, b）g-FA20和g-MA薄膜在氬氣氛圍中光照1000 h前后的XRD圖譜對比；

c, d）g-FA20和g-MA器件的持續光照穩定性對比。

【小結】

研究者們第一次提出了δ-FAPbI₃鈍化MAPbI₃鈣鈦礦結構的概念。通過MA氣體修復技術，通過相分離控制實現了一維鈣鈦礦結構在三維鈣鈦礦薄膜中的原位生成，通過鈍化晶膜的缺陷，改善鈣鈦礦層與電荷傳輸層的接觸和限制有機陽離子的擴散來提高器件性能, 明顯改善器件的效率和穩定性。這項研究為制備高效率和高穩定性的器件提出了一個新的方向。

文獻鏈接：Trash into Treasure: δ‐FAPbI3 Polymorph Stabilized MAPbI3 Perovskite with Power Conversion Efficiency beyond 21%.（Adv. Mater.，2017，DOI：10.1002/adma.201707143）

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