電子科技大學劉明偵教授團隊iScience：揭示水解產物DMAPbI3性質及 對鈣鈦礦太陽能電池的影響

【引言】

全無機鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）相比于雜化鈣鈦礦太陽能電池由于其優越的熱穩定性受到了越來越多的科研工作者的關注。立方相（α相）無機CsPbI₃鈣鈦礦由于其1.73eV的寬帶隙，成為了疊層太陽能電池頂部電池的理想吸收層材料。但是，由于α-CsPbI₃在室溫下易發生相轉變，導致其光電轉換效率大幅下降。為解決這一問題，使用溶液法合成所謂的前驅體‘HPbI₃’來替代PbI₂，輔助調節結晶過程從而抑制室溫相轉變成為了一種常用的方法，但對這一方法背后的機理仍處于爭論之中。

【成果簡介】

近日，電子科技大學劉明偵教授團隊進一步探索了合成所謂‘HPbI₃’這一方法的機理。他（她）們將氫碘酸（HI）溶液加入溶解有碘化鉛（PbI₂）的二甲基甲酰胺（DMF）溶液中，利用常規方法合成了被普遍認為是‘HPbI₃’的前驅體材料。通過詳細的表征闡明了目前對該材料可能存在的認識誤區，并討論了其產物對鈣鈦礦薄膜及太陽能電池器件性能的影響。

在論文中作者利用一系列表征方法（原位熱重-傅里葉紅外光譜聯用分析（in-situ?TG-FTIR）、核磁共振氫譜（¹H-NMR）等）深入分析了產物的組成成分以及內部有機物的分子結構。結果表明粉末產物中含有溶劑DMF在酸性條件下的水解產物二甲基胺碘鹽（(CH₃)₂NH₂I，簡稱DMAI）,這一水解產物可與PbI₂反應最終形成DMAPbI₃晶體（而非常規認識的‘HPbI₃’）。通過進一步分析DMAPbI₃在鈣鈦礦薄膜結晶過程的反應機理，研究了DMAPbI₃的含量對鈣鈦礦薄膜形貌、缺陷態密度、穩定性以及器件光電性能的影響，最終制備出穩定高效的Cs_xDMA_1-xPbI₃鈣鈦礦太陽能電池。相關的研究成果以題為“Unveiling property of hydrolysis-derived DMAPbI₃?for perovskite devices: composition engineering, defect mitigation, and stability optimization” 發表在Cell出版社iScience期刊上。

電子科技大學材料與能源學院為論文第一單位，劉明偵教授為通訊作者。

【圖文簡介】

1.DMAPbI₃粉末的合成和表征

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（A）DMAPbI₃粉末合成示意圖。（B）粉末XRD圖譜。（C）和（D）不同放大倍數下的SEM樣貌。（E-H）EDX-mapping圖像。N、Pb、I元素的分布

2.DMAPbI₃組成結構：官能團和分子結構的分析

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（A）FTIR譜。N-H，C-H振動吸收峰。（B）TG-DTG曲線，(CH₃)₂NH₂I，PbI₂兩種分解產物的含量分析。（C）三維原位TG-FTIR譜，加熱分解過程中的有機分子的紅外吸收，溫度范圍：200-440 ^oC。（D和E）某一溫度截面下的FTIR吸收光譜。（F）¹H-NMR譜，C、N鍵上的H的個數和化學環境

3.Cs_xDMA_1-xPbI₃（Cs-0.3/0.5/0.7/0.9）不同Cs含量的鈣鈦礦薄膜的制備過程和表征分析

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（A）鈣鈦礦薄膜制備過程示意圖。（B）隨著Cs含量變化的XRD圖譜。（C）Cs-0.5粉末樣品溶于DMSO-d₆溶液的¹H-NMR譜，含有(CH₃)₂NH₂⁺有機成分。（D）不同Cs含量下的SEM形貌。（E）Cs含量的變化與薄膜穩定性關系測試的光學照片。

4.Cs_xDMA_1-xPbI₃不同Cs含量的鈣鈦礦薄膜的缺陷態的研究

（A-D）空間電荷限制電流法測試不同Cs含量薄膜的缺陷態密度。（E）PL譜。（F）TR-PL譜。隨著Cs含量的增加，薄膜中的缺陷態先減少后逐漸增加

5.Cs_xDMA_1-xPbI₃鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能

（A）不同Cs含量器件的J-V曲線。（B）Cs含量對效率的影響。（C）最佳器件的J-V曲線；（D）最大功率點輸出電流和光電轉換效率。（E）外量子效率（EQE）譜。（F）穩定性測試。

【小結】

綜上所述，作者深入透徹地分析了水解產物DMAPbI₃，研究了這一產物對制備高質量鈣鈦礦太陽能電池的影響。通過一系列深入分析DMAPbI₃組成成分和性質分析，確定了在傳統的制備過程中（將HI溶液加入溶解有PbI₂的DMF溶液中），溶劑DMF會在酸性條件下水解產生DMAI，并與PbI₂作用，最終形成DMAPbI₃晶體。作者通過調控前驅體溶液中CsI與DMAPbI₃的比例，得到了均勻性高和缺陷態密度低的Cs_xDMA_1-xPbI₃鈣鈦礦薄膜，其光伏器件最終獲得14.3%的光電轉換效率。這一工作為溶劑DMF在酸性條件下會發生水解并對反應產物會造成影響提供了新的理解視角，為進一步深入理解鈣鈦礦電池的發展提供了新的思路。

論文鏈接：Unveiling?Property?of Hydrolysis-Derived DMAPbI₃?for Perovskite Devices: Composition Engineer, Defect Mitigate, and stability Optimization (iScience, 15, 165-172, (2019), DOI: http://doi.org/10.1016/j.isci.2019.04.024)

本文由電子科技大學劉明偵教授團隊供稿。

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