Adv. Mater.: 通過低壓蒸氣輔助溶液法制備高效率2D/3D雜化鈣鈦礦太陽能電池

【引言】

有機-無機雜化鈣鈦礦材料因其高吸收系數、寬光譜吸收范圍、優異的載流子傳輸性能及大介電常數和低激子結合能等優越特性而使其在光電轉換應用領域受到極大關注。當前實驗室已驗證的小面積鈣鈦礦太陽能電池的最高效率為22.7%，可以與無機單晶硅太陽能電池效率相媲美，展現出巨大的應用前景。然而有機-無機雜化鈣鈦礦材料和器件在潮濕、熱和光照條件下不穩定，限制了其商業化應用。采用具有強穩定性的二維（2D）層狀結構的鈣鈦礦與典型的三維（3D）結構鈣鈦礦相結合的方法，可以緩解器件性能的衰減，提高其穩定性。然而，目前基于該方法制備的2D/3D雜化鈣鈦礦太陽能電池的效率并不高，落后于純3D結構鈣鈦礦（MAPbI3）太陽能電池的效率。因此，開發出一種可同時實現高效率和高穩定性的2D/3D雜化鈣鈦礦太陽能電池的方法是非常有必要的。

【成果簡介】

近日，中國臺灣國立成功大學陳昭宇教授和郭宗枋教授（共同通訊作者）團隊首次采用低壓蒸氣輔助溶液加工法制備了2D/3D有機金屬鹵素鈣鈦礦。具體方法為將苯基乙基碘化銨（PEAI）摻雜的碘化鉛（PbI2）基底與放置在低壓加熱爐里的甲基碘化銨（MAI）蒸氣反應。掃描電子顯微鏡圖像和開爾文探針力顯微鏡圖譜表明含PEAI的2D鈣鈦礦大晶粒圍繞在3D MAPbI₃鈣鈦礦晶粒周圍，有利于MAPbI₃晶粒生長。PEAI的摻雜比例對晶體結構、表面形貌、晶粒尺寸、紫外-可見吸收和光致發光光譜以及器件性能有著重要的影響。當PEAI/PbI₂ = 0.05時，2D/3D有機金屬鹵素鈣鈦礦器件光電轉換效率最高為19.10%，填充因子高達80.36%，器件穩定性也得到改善。相關研究成果以 “Highly Efficient 2D/3D Hybrid Perovskite Solar Cells via Low-Pressure Vapor-Assisted Solution Process” 為題發表在Adv. Mater.上。
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【圖文導讀】

圖1 PEAI摻雜的PbI₂薄膜的X射線衍射（XRD）和掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）

(a): PEAI摻雜的PbI₂薄膜的XRD圖；
(b-g): PEAI摻雜的PbI₂薄膜的GIWAXS圖，面外和面內的散射矢量分量分別定義為qz和qr。

圖2 PEAI摻雜的鈣鈦礦薄膜的X射線衍射（XRD）和掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）

(a): PEAI摻雜的鈣鈦礦薄膜的XRD圖；
(b): 介孔二氧化鈦的GIWAXS圖；
(c-g): PEAI摻雜的鈣鈦礦薄膜的GIWAXS圖。

圖3 PEAI摻雜的鈣鈦礦薄膜的光學表征

(a): PEAI摻雜的鈣鈦礦薄膜的紫外-可見光吸收光譜；
(b): PEAI摻雜的鈣鈦礦薄膜的PL光譜，插圖為歸一化的PL光譜；
(c): PEAI/PbI₂=1, 3, 4在MAI蒸氣輔助下與PEAI/PbI₂=2無MAI蒸氣輔助的鈣鈦礦薄膜的放大PL光譜；
(d): PEAI/PbI₂=4在不同位置MAI蒸氣輔助下的鈣鈦礦薄膜的PL光譜。

圖4 PEAI摻雜的鈣鈦礦薄膜的SEM

圖5 PEAI摻雜的鈣鈦礦薄膜的表面電位和形貌
(a, d): PEAI摻雜的鈣鈦礦（PEAI/PbI₂=2）薄膜的表面電位和相應的形貌圖；
(b, e): PEAI摻雜的鈣鈦礦（PEAI/PbI₂=0.05）薄膜的表面電位和相應的形貌圖；
(c, f): MAPbI₃薄膜的表面電位和相應的形貌圖。
（所有的樣品沉積于覆蓋在FTO基底的介孔氧化鋁上面。）
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圖6 PEAI摻雜的鈣鈦礦薄膜的近邊X射線吸收精細結構（NEXAFS）譜

圖7 PEAI摻雜的鈣鈦礦太陽能電池性能

(a): 不同PEAI摻雜量的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率；
(b): 不同PEAI摻雜量的鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線；
(c): PEAI/PbI₂=0.05與MAI蒸氣的反應不同時間的鈣鈦礦器件的J-V曲線；
(d): 不同PEAI摻雜PbI₂（PEAI/PbI₂=0.05）濃度與MAI蒸汽反應2 h的器件的J-V曲線。

圖8 2D和3D鈣鈦礦的組成演變圖解

【小結】

研究人員成功采用低壓蒸氣輔助溶液加工法制備了2D/3D雜化鈣鈦礦，XRD, GIWAXS, SEM和KPFM等表征手段證實了2D/3D雜化鈣鈦礦晶體的形成，并證實PEAI的摻雜有利于改善MAPbI₃晶粒生長。因此，基于該2D/3D雜化鈣鈦礦的太陽能電池取得了19.10%的光電轉換效率，該研究提供了一種實現高效率的2D/3D雜化鈣鈦礦的太陽能電池的新的制備方法。

文獻鏈接： Highly Efficient 2D/3D Hybrid Perovskite Solar Cells via Low-Pressure Vapor-Assisted Solution Process?(Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201801401)

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