冉晨鑫、陳永華&周歡萍 ACS Energy Letters : 晶面依賴的PbI2前驅體膠體特性調控及高效MAPbI3鈣鈦礦太陽能電池

【背景介紹】

采用溶液法制備鈣鈦礦薄膜時首先要制備前驅體溶液，因此前驅體溶液中膠體的性質直接決定了鈣鈦礦薄膜的性質。此前，文章中報道一些方法（例如，引入添加劑（如DMSO，乙腈、痕量H₂O）和改變前驅體化學計量比）能夠通過調節前驅體溶液膠體特性，改善所制備的薄膜質量，進而提高器件的光電特性。然而，目前對改變膠體特性的主要決定因素和調控機理尚不清楚。

在使用鈣鈦礦的原材料配置前驅液時，實際上是膠體分散液，而不是解離的溶液。因此，原材料的特性應該對所形成的膠體特性有決定性產生影響。這也解釋了為什么即使采用相同的溶液法制備鈣鈦礦薄膜，在不同的實驗室也會得到不同的結果，這一部分原因是因為使用了不同的原材料(來自不同的生產商和/或不同批次的PbI₂材料)導致前驅體中膠體的不同特征。然而，人們對于原材料的晶體特性如何影響前驅體中膠體的性質、鈣鈦礦薄膜的質量以及最終器件的光伏性能等方面，知之甚少。這是由于目前對于PbI₂晶體的可控制備，研究人員并沒有給予更多關注和研究。

【成果簡介】

近日，西安交通大學冉晨鑫博士、南京工業大學陳永華教授和北京大學周歡萍教授（共同通訊作者）等人開發了一種晶面鈍化策略來合成晶面比例、晶體尺寸可調的PbI₂ 材料。通過調節制備反應體系中乙酸含量，能夠制備晶面比例和晶體尺寸可調的PbI₂材料。理論計算結果表明，晶面的控制是由于H⁺的濃度變化，使得PbI₂晶體不同晶面生長速度發生變化，最終實現PbI₂晶體形貌的調控。研究表明，采用具有不同形貌的PbI₂材料，我們能夠實現對PbI₂膠體膠粒尺寸及其分布、PbI₂薄膜表面形貌及其結晶取向、以及相應的MAPbI₃鈣鈦礦薄膜光電性能的調控。相比于商用PbI₂材料，采用優化PbI₂為原料制備的鈣鈦礦太陽能電池器件的PCE 達到20.22%，并表現出更低的正掃-反掃遲滯效應。研究成果以題?“Facet-Dependent Control of PbI₂ Colloids for over 20% Efficient Perovskite Solar Cells”?發表在國際著名能源期刊ACS Energy Letters上。

【圖文解析】

圖1.

（a-j）不同乙酸含量下制備的PbI₂材料的SEM圖。（k）隨著乙酸含量的增加，PbI₂晶粒的形貌變化示意圖。（l）不同PbI₂材料的XRD圖。（m）隨著乙酸含量增加，PbI₂材料XRD中（001）峰和（101）峰的強度對比。

圖2.

PbI₂晶體的（a）（101）和（b）（001）晶面表面與H原子結合的理論計算結果。（c）在不同H⁺濃度下，H原子鈍化對改變PbI₂晶體形貌的作用示意圖。

圖3.

(a) PbI₂溶解在DMF中形成的膠體分散液的照片。(b)膠體溶液的丁達爾效應(Tyndall effect)和(c)動態光散射（DLS）表征。采用(d) 5% S-PbI₂和(e) 80% S-PbI₂制備的PbI₂膠體和PbI₂薄膜形貌的原理圖。(f-j)不同S-PbI₂樣品制備的PbI₂薄膜的SEM圖像，(k)晶粒尺寸分布和(l) XRD表征。

圖4.

(a-e)不同S-PbI₂薄膜制備的MAPbI₃鈣鈦礦薄膜的SEM圖像。(f) 5和(g) 80% S-PbI₂薄膜中PbI₂晶粒轉化為MAPbI₃晶粒的原理圖。(h) MAPbI₃膜的晶粒尺寸分布和(i) XRD圖譜。

圖5.

(a)以不同PbI₂為原料的PSCs的PCE分布。(b)基于10% S-PbI₂器件的EQE表征和JSC積分結構。(c)基于10% S-PbI₂制備的最佳電池器件的電流-電壓曲線。(d)基于10% S-PbI₂的PSCs器件在在最大功率點(0.94 V)的功率輸出穩定性。

【小結】

總之，研究人員開發了一種晶面鈍化策略來合成晶面比例、晶體尺寸可調的PbI₂ 材料，并利用其可調特性，實現了對PbI₂溶液中PbI₂膠體特性的調控。研究表明，采用具有不同形貌的PbI₂材料，我們能夠實現對PbI₂膠體膠粒尺寸及其分布、PbI₂薄膜表面形貌及其結晶取向、以及相應的MAPbI₃鈣鈦礦薄膜光電性能的調控。相比于商用PbI₂材料，采用優化PbI₂為原料制備的鈣鈦礦太陽能電池器件的PCE 達到20.22%，并表現出更低的正掃-反掃遲滯效應。因此，這一普世的晶面依賴性膠體工程策略為高質量鈣鈦礦薄膜的制備提供了一種重要的實用調控方法，對今后進一步提高PSCs的性能具有重要的前景。

文獻鏈接：Facet-Dependent Control of PbI2 Colloids for over 20% Efficient Perovskite Solar Cells?(ACS Energy Lett., 2019, 4, 358–367. DOI: 10.1021/acsenergylett.8b02262)

本文由西安交通大學冉晨鑫博士供稿，材料人編輯部編輯。

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