布朗大學：利用配位化合物調控晶界功能提升理想禁帶寬度鈣鈦礦太陽能電池性能

【引言】

目前，最高光電轉化效率的鈣鈦礦太陽能電池吸光層材料的禁帶寬度都高于理想單結太陽能電池的理論值1.3eV, 這大大限制了其光電轉化效率的提升空間。禁帶寬度在1.2eV-1.3ev的鉛-錫混合鈣鈦礦材料的出現可最大化的利用太陽光譜。然而，二價錫極易氧化，其物理與化學性質難以在非惰性環境下保持，是導致這類材料光電轉化效率和穩定性低的主要原因。

【?成果簡介】

近日，美國布朗大學Yuanyuan Zhou教授和Nitin. P. Padture教授（共同通訊作者）在Advanced Energy Materials上發表了題為“Lewis-Adduct Mediated Grain-Boundary Functionalization for Efficient Ideal-Bandgap Perovskite Solar Cells with Superior Stability”的研究論文，該工作將一種低融點的配位化合物SnF₂?3FACl?摻入到前驅體溶液中，成膜后這種化合物在晶界處形成連續的SnF2鈍化網絡，高濃度的二價錫聚集在晶界處形成還原性環境，有效阻止了鉛-錫混合材料的氧化。通過這種方法組裝的具有理想禁帶寬度的太陽能電池的光電轉化效率為15.8%，且穩定性得到了提升。布朗大學訪問博士生Yingxia?Zong和東京大學博士后Zhongmin Zhou為并列第一作者。

【圖文導讀】

圖一：路易斯配位化合物功能化晶界形成機理

(a)SnF2 ? 3FACl 路易斯配位化合物在成膜不同階段的微觀結構演化示意圖

(b)SnF2 ? 3FACl 路易斯配位化合物室溫及80℃下形貌照片

(c, d, e, f) 170℃下煅燒成膜不同時間的SEM形貌圖

(g, h) 170℃下煅成膜不同時間的XRD譜圖

(i)煅燒過程中Cl-含量與晶粒尺寸的關系圖

圖二: 路易斯化合物摻雜后的鈣鈦礦薄膜的TEM和C-AFM 圖像

? TEM 明場成像 (a) 低倍數 (b) 高倍數

圖三：路易斯配位化合物摻雜的鈣鈦礦薄膜的物理性質

（a）路易斯配位化合物摻雜的鈣鈦礦薄膜與無摻雜的鈣鈦礦薄膜的UV-vis圖譜

（b）路易斯配位化合物摻雜的鈣鈦礦薄膜與無摻雜的鈣鈦礦薄膜的穩態熒光光譜

（c）由空間電荷限制電流模型得到的FTO/Perovskite/Au結構中鈣鈦礦薄膜的log(J)-log(V)散點圖

（d）晶界處SnF₂填補鈣鈦礦薄膜中Sn空位的示意圖

圖四：路易斯配位化合物摻雜前后的鈣鈦礦薄膜太陽能電池的結構及表征

（a）器件結構

（b）J-V 曲線（反掃）

（c）光電轉化效率統計圖

（d）最佳效率的J-V曲線（反掃，正掃）

（e）最大功率點電流和光電轉化效率

（f）EQE圖譜

圖五：路易斯配位化合物摻雜前后的鈣鈦礦薄膜及器件穩定性

（a）濕穩定性測試：70%

（b）熱穩定性測試：200℃

（c）光穩定性測試：一個標準太陽光

（d）摻雜路易斯化合物修飾晶界的鈣鈦礦薄膜的太陽能電池器件在模擬一個標準太陽光照下300h效率統計圖

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201800997

本文由Nitin. P. Padture課題組供稿，材料牛整理編輯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。