南昌大學陳義旺教授、談利承教授Adv. Energy Mater. ：氟化物使鈣鈦礦太陽能電池具有出色的水汽穩定性和熱穩定性

kv1004 4年前 (2019-04-12) 8156瀏覽

【引言】

雖然鈣鈦礦太陽能電池具有高能量轉換效率，但其穩定性遠未達到其商業化的要求。目前很多鈣鈦礦太陽能電池的熱穩定性不能滿足標準穩定性測試的要求。尤其是，鈣鈦礦材料在高溫下的熱分解、晶體轉換、雜質擴散、晶體缺陷的形成、相界和晶界的變化會嚴重影響鈣鈦礦太陽能電池的光電性能。同時，鈣鈦礦太陽能電池的活性層的體積增大，導致水汽和氧氣擴散到活性層內，從而使活性層發生化學降解。水汽滲透到鈣鈦礦薄膜內，會使鈣鈦礦薄膜迅速降解。很多種疏水性材料可以保護鈣鈦礦太陽能電池不和水汽接觸，但這些材料不導電。氟化合物具有出色的耐水汽性和耐熱性。多功能氟聚合物在鈣鈦礦太陽能電池中具有較高的穩定性性，同時不影響起始的能量轉換效率，但氟聚合物不利于電荷傳輸。

【成果簡介】

近日，南昌大學陳義旺教授、談利承教授（共同通訊作者）在Adv. Energy Mater.上報道了首次在鈣鈦礦薄膜中引入氟化的苝四羧酸二酰亞胺(F-PDI) 來提高鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能、水汽穩定性和熱穩定性。導電的F-PDI分子充滿鈣鈦礦薄膜的表面和晶界，能通過晶界鈍化缺陷和促進電荷傳輸，因為F-PDI的羰基和非配位的鉛之間形成了螯合。F-PDI和鈣鈦礦薄膜形成多重疏水結構，保護鈣鈦礦薄膜免受水汽侵蝕。結果，吸收層分別為MAPbI3 和 Cs0.05 (FA0.83MA0.17)0.95 Pb(Br0.17I0.83)3的鈣鈦礦太陽能電池的最高能量轉換效率分別為18.28% 和 19.26%。鈣鈦礦太陽能電池不僅在濕度50%的環境中暴露30天，保留了超過80%的初始效率，而且在同樣濕度的條件下經過24h的100℃加熱后，保留了差不多70%的初始效率。

【圖文簡介】

圖1.

a)鈣鈦礦太陽能電池的結構

b)F-PDI和鈣鈦礦的相互作用，包括羰基和鉛的螯合以及氟原子和氫原子形成的氫鍵。

c)F-PDI通過固定甲胺離子（MA+）提高鈣鈦礦太陽能電池的熱穩定性。

圖2.純鈣鈦礦薄膜和F-PDI比例不同的鈣鈦礦薄膜的a–d) 頂部SEM圖 和 e–h) 截面SEM圖

圖3.純鈣鈦礦薄膜和F-PDI比例不同的鈣鈦礦薄膜的a)XRD圖、b)UV-vis 吸收譜圖、c)穩態光致發光光譜和d)時間分辨光致發光光譜

圖4.

a)分別基于純鈣鈦礦薄膜和F-PDI比例不同的鈣鈦礦薄膜的鈣鈦礦太陽能電池在光照強度為100mW/cm2的太陽光譜下的電流密度-電壓曲線

b)分別基于純鈣鈦礦薄膜和含F-PDI鈣鈦礦薄膜的鈣鈦礦太陽能電池正向和反向掃描測得的電流密度-電壓曲線

c)分別基于純鈣鈦礦薄膜和含F-PDI鈣鈦礦薄膜的鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率

d)分別基于純鈣鈦礦薄膜和含F-PDI鈣鈦礦薄膜的鈣鈦礦太陽能電池的外部量子效率和短路電流密度

e)分別基于純鈣鈦礦薄膜和含F-PDI鈣鈦礦薄膜的鈣鈦礦太陽能電池的穩態光電流和能量轉換效率

f)分別基于純鈣鈦礦薄膜和含F-PDI鈣鈦礦薄膜的鈣鈦礦太陽能電池的暗場的電流密度-電壓曲線

圖5.鈣鈦礦太陽能電池的電荷提取性質

a,b)分別只有空穴和電子的鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓曲線

c,d)分別基于純鈣鈦礦薄膜和含F-PDI鈣鈦礦薄膜的鈣鈦礦太陽能電池在不同的照明條件下，短路電流密度和開路電壓之間的關系

圖6.鈣鈦礦太陽能電池和鈣鈦礦薄膜穩定性

a,b)在濕度50%的環境中暴露30天的純鈣鈦礦薄膜和含F-PDI鈣鈦礦薄膜的照片和GIXRD 圖

c)不同環境中的分別基于純鈣鈦礦薄膜和含F-PDI鈣鈦礦薄膜的鈣鈦礦太陽能電池的長期效率穩定性

d,e)純鈣鈦礦薄膜和含F-PDI鈣鈦礦薄膜的GIXRD 圖隨著加熱溫度或加熱時間的變化而產生變化

f)分別基于純鈣鈦礦薄膜和含F-PDI鈣鈦礦薄膜的鈣鈦礦太陽能電池在不同的溫度下老化，它們的能量轉換效率隨著時間的推移而發生變化

g)暴露在85℃的空氣中10h的、分別基于純鈣鈦礦薄膜和含F-PDI鈣鈦礦薄膜的鈣鈦礦太陽能電池的Ag 和 I?的TOF-SIMS元素深度

【小結】

研究團隊首次將F-PDI加入到鈣鈦礦的晶界和表面，優化了鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能、水汽穩定性和熱穩定性。F-PDI和晶界形成化學鍵，降低了缺陷的密度，促進載流子傳輸，因此抑制了界面積累和非輻射復合。吸收層為?Cs0.05 (FA0.83MA0.17)0.95 Pb(Br0.17I0.83)3的鈣鈦礦太陽能電池的最高能量轉換效率高達19.26%。重要的是， F-PDI 能阻隔水汽，有益于鈣鈦礦太陽能電池的濕氣穩定性。同時，F-PDI和MA+形成強氫鍵，改善了鈣鈦礦太陽能電池的熱穩定性。濕氣穩定性和熱穩定性的強化都通過測試表現出來。這項研究成果為濕氣穩定性和熱穩定性優異的鈣鈦礦太陽能電池的商業化指明了方向。

文獻鏈接：High‐Performance Perovskite Solar Cells with Excellent Humidity and Thermo‐Stability via Fluorinated Perylenediimide? （Adv. Energy Mater. 2019,DOI: 10.1002/aenm.201900198）

本文由材料人編輯部kv1004供稿，材料牛編輯整理。

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