陜西師范大學劉生忠-趙奎團隊Joule:調控相轉變刮涂制備高效鈣鈦礦太陽電池

【引言】

近年來，有機無機雜化鈣鈦礦太陽電池因其卓越的光電性能受到廣泛關注，旋涂制備的電池器件效率已經達到22.7%。但在實際應用方面，如何通過可大面積、高通量的印刷工藝制備高效鈣鈦礦太陽電池仍是目前亟待解決的問題。同時，針對鈣鈦礦在成膜過程中的相轉變對最終薄膜的晶體質量、形貌和相應器件的光伏性能所起著的作用，目前仍缺乏全面的認知。

【成果簡介】

近日，陜西師范大學劉生忠和趙奎教授團隊題為“Phase transition control for high-performance blade-coated perovskite solar cells”的相關研究成果發表于Cell Press 旗下的能源領域材料類頂級期刊Joule。陜西師范大學劉生忠教授，趙奎教授與阿卜杜拉國王科技大學Aram Amassian教授為文章的共同通訊作者，碩士生李劍波、樊園園和博士Rahim Munir為文章的共同第一作者。在該研究中，研究人員利用實時追蹤技術，研究了鈣鈦礦前驅體溶液在旋涂、刮涂不同成膜過程中的相轉變行為，同時針對中間相對鈣鈦礦薄膜的形貌、光電性質、晶體成核數量和生長速度的影響進行了探究。在此研究的基礎上，最終空氣中刮涂制備的MAPbI₃薄膜在0.09 cm²的小面積電池器件中獲得了18.74％的光電轉換效率，并在1 cm²的大面積器件中獲得了17.06％的效率。

上述研究工作分別得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高校基金、教育部“111引智計劃”、“千人計劃”項目的資助以及康奈爾大學高能同步輻射光源的幫助。

【圖文導讀】

圖1 不同成膜過程中的原位GIWAXS測試

(A-C)在DMSO:GBL-blade-25oC with anti-solvent drip、DMSO：GBL-blade-150℃和DMF-blade-150℃的三種典型成膜過程中的原位 GIWAXS測試；

(D) MAPbI₃在以上三種條件下的結構轉變示意圖。

圖2 鈣鈦礦薄膜結晶形貌實時跟蹤研究

(A) 室溫刮涂MAPbI₃薄膜的示意圖及薄膜的實時光學顯微鏡照片；

(B) 高溫刮涂MAPbI₃薄膜的示意圖及薄膜的實時光學顯微鏡照片。

圖3 鈣鈦礦晶體成核與生長動力學研究

(A) 在DMSO:GBL-blade-150oC過程中 球晶薄膜的Voronoi cell區域劃分；

(B) 在DMSO:GBL-blade-150oC和DMF-blade-150oC兩種過程中球晶生長尺寸與時間的關系；

(C) 通過Avrami方程計算的球晶尺寸和時間的關系；

(D) 球晶尺寸與Voronoi cell面積大小的關系；

(E) 在DMSO:GBL-blade-25oC和DMSO:GBL-blade-150oC兩種條件下制備的鈣鈦礦薄膜的SEM圖；

(F) MAPbI₃晶體在不同溶液濃度區域生長的模型；

(G) 理想條件和直接結晶條件下鈣鈦礦晶體成核與生長的示意圖。

圖4 鈣鈦礦薄膜光學性能測試

(A) 在DMSO:GBL-blade-25oC with anti-solvent drip、 DMSO：GBL-blade-150℃和DMF-blade-150℃三種條件下制備的鈣鈦礦薄膜的紫外可見吸收光譜與穩態熒光光譜；

(B) 所有薄膜的PL峰位置，PL峰的半峰寬和帶隙與薄膜制備時基底溫度的關系；

(C) 在DMSO:GBL-blade-25oC with anti-solvent drip，DMSO:GBL-blade-25oC和DMSO:GBL-blade-150oC三種條件下制備的鈣鈦礦薄膜的瞬態熒光光譜；

(D) 所有旋涂、刮涂法制備的薄膜的平均壽命作為溫度的函數。

圖5 鈣鈦礦太陽電池的光伏性能測試和電荷收集機制研究

(A) 在DMSO:GBL-blade-25oC with anti-solvent drip、 DMSO：GBL-blade-150℃和DMF-blade-150℃三種條件下器件的（J-V）曲線和電池結構示意圖；

(B) 基于不同制備條件的鈣鈦礦薄膜太陽能電池光電轉換效率與基底溫度的關系；

(C) 有效面積為1cm²的鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線和相應參數；

(D) 基于DMSO:GBL-blade薄膜器件歸一化的J-V曲線；

(E-F) 所有電池器件分別在開路和短路處J-V曲線的斜率與鈣鈦礦薄膜制備時基溫度的關系。

【小結】

在該項工作中，通過實時追蹤鈣鈦礦在不同成膜條件下的相轉變和晶體生長過程，研究人員發現，無論在旋涂或刮涂制備過程中，通過熱基底誘導快速去除溶劑的方法都可有效地抑制鈣鈦礦中間相的出現，從而制備出具有高結晶質量的大晶粒鈣鈦礦薄膜。同時，研究還揭示了鈣鈦礦薄膜從無序前驅體溶膠-凝膠相到鈣鈦礦相的相轉變過程對薄膜質量、光物理性質和器件光伏性能所起到重要的影響。在此理論的指導下，最終在空氣中刮涂制備得到的高質量MAPbI₃薄膜，在0.09 cm²的小面積電池器件中獲得了18.74％的光電轉換效率，并在1 cm²的大面積器件中獲得了17.06％的效率，這些刮涂器件效率處于同領域世界最高水平。本文的研究成果為鈣鈦礦制備向印刷法轉移提供了重要的理論支持，將有助于進一步推動鈣鈦礦太陽電池走向大面積商業化的應用。

文獻鏈接： Phase transition control for high-performance blade-coated perovskite solar cells.?(Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.04.011）

團隊介紹：
陜西師范大學劉生忠教授和趙奎教授領導的團隊最近在鈣鈦礦器件方面取得了系列國際領先研究成果，包括：2017年制備出世界最高效率13.7%的二維鈣鈦礦電池（Energy Environ. Sci., 2017, 10, 2095）; 2018年采取晶界鈍化法制備穩定高效鈣鈦礦太陽電池（Adv. Mater. 2018, 1706576）; 2018年通過實時追蹤技術研究三維鈣鈦礦中間態的形成(ACS Energy Lett. 2018, 3, 1078-1085)；2018年通過實時追蹤二維鈣鈦礦前驅體溶液到固態薄膜的相轉變行為,研究了二維鈣鈦礦結晶動力學以及薄膜相純度、量子阱排列取向和光伏性能的影響因素（Adv. Mater. 2018, 1707166）；2018年通過研究鈣鈦礦單晶生長過程，首次采用低溫梯度結晶法生長了大尺寸高質量MAPbBr3鈣鈦礦單晶，并在單晶上組裝了高效光探測器。（Mater. Today, 2018, in press）

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