西安交大吳朝新Joule: 共軛有機分子自修復效應實現高效穩定FASnI3基鈣鈦礦太陽能電池

引言

近年來，有機-無機雜化鈣鈦礦材料由于其易合成、低成本、高吸收系數、載流子擴散距離長等優勢，在光伏領域掀起研究熱潮，成為炙手可熱的“明星材料”。近期，基于鉛(Pb)鹵化物鈣鈦礦材料的太陽能電池器件取得了巨大的進步, 最新能量轉化效率屢創新高，官方認證的單節器件效率已高達25.2%。然而，重金屬Pb的毒性問題是這一材料在商業化道路上需要解決的問題。近年來，基于錫（Sn）的太陽能電池器件得到了廣泛的研究，并取得了令人鼓舞的進展。例如，通過在甲脒錫碘（FASnI₃）鈣鈦礦薄膜中引入大體積胺 (如，苯乙胺[PEA]和正丁胺[BA])，能夠有效提高FASnI₃太陽能電池的光伏性能。然而，這些大體積胺的絕緣特性質限制了薄膜的電荷提取效率，進而阻礙了器件高效率的獲得。因此，尋找一種提高薄膜電荷提取效率的方法對于更高效器件的實現意義重大。

研究內容

西安交通大學電信學院吳朝新教授團隊設計了一種具有共軛結構的有機大分子，3-苯基-丙烯-1-胺(PPA)，用于解決上述FASnI₃鈣鈦礦太陽能電池存在的問題，促進薄膜中的電荷提取能力。研究發現，PPA的存在可以使FASnI₃薄膜的晶粒尺寸增大，使晶粒鈍化，并誘導膜的取向。此外，由于PPA大的空間位阻，能夠實現對FASnI₃薄膜光伏特性的自修復。基于經PPA修飾的FASnI₃膜制備的反式鈣鈦礦太陽能電池器件，其能量轉化效率高達9.61%，是目前報道的Sn基鈣鈦礦太陽能電池器件的最高值。最重要的是，我們首次制備了大面積Sn基鈣鈦礦太陽能電池器件(1 cm²)，并實現了7.08%的能量轉化效率。這項研究工作提出了一種實現Sn基鈣鈦礦薄膜高穩定性和強電荷提取能力的有效策略，揭示了高效率Sn基鈣鈦礦太陽能電池提的巨大潛力。

該項研究工作以題目為“Conjugated Organic Cations Enable Efficient Self-Healing FASnI3 Solar Cells”發表于國際頂級期刊Cell旗下能源領域子刊Joule（IF = 20）上（論文鏈接：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30426-X）。該論文第一作者為課題組青年教師冉晨鑫博士，吳朝新教授作為領銜通訊作者(Lead Contact Author)，西安交通大學為第一作者單位。參與此項工作的還有美國西北大學資深講席教授Mercouri G. Kanatzidis教授，中國科學院上海應用物理研究所高興宇研究員。

該工作得到國家自然基金委重點項目（編號61935016）、面上課題（編號11574248），科技部國家重點研發專項（編號2016YFB0400702）的支持。

西安交通大學吳朝新教授團隊長期研究新型功能材料的“光-電”與“電-光”物理機制及其器件應用如太陽能電池與發光二極管，近期有多項重要成果發表于國際頂級期刊：Joule，Advanced Materials, Advanced Functional Materials, AngewandteChemie International Edition, ACS Energy Letter, Nano Energy等，更多研究內容可參見吳朝新教授主頁：http://zhaoxinwu.gr.xjtu.edu.cn

圖文導讀

圖一. PPA摻雜FASnI₃材料的結構及薄膜表征

(A) FA和PPA的分子結構式。(B) PPA摻雜FASnI₃材料的結構示意圖。(C-H) 不同PPA摻雜量下FASnI₃薄膜的SEM圖。(I) 不同PPA摻雜量下FASnI₃薄膜的粒徑分布圖。(J) 摻雜和未摻雜15% PPAI的FASnI₃薄膜在100℃下退火不同溫度的照片。

圖二. PPA摻雜前后FASnI₃薄膜取向性表征

(A) 0% PPAI和(B) 15% PPAI薄膜的掠入射X射線衍射圖。(C) 不同薄膜中(100)衍射環在不同Azimuth角度下的積分強度對比圖。(D) 不同PPA摻雜量下FASnI₃薄膜的XRD圖。(E) 未摻雜和(F)摻雜PPA的FASnI₃薄膜的成膜過程示意圖。

圖三. 太陽能電池器件性能表征

(A) 太陽能電池器件的斷面SEM圖。(B) 15% PPAI薄膜在不同濃度下的電流-電壓曲線圖。優化的基于15% PPAI的太陽能電池器件的(C)不同掃描方向的電流-電壓曲線和(D)外量子效率曲線。(E)?持續光照條件下，摻雜與未摻雜PPA的器件的最大功率輸出穩定性曲線。(F)?采用不同有機大分子摻雜的FASnI₃鈣鈦礦薄膜的太陽能電池器件效率分布圖，其中統計基于18個獨立電池器件。?

圖四.?PPA摻雜FASnI₃薄膜的載流子特性表征

(A) 基于15% PPAI和15% PEAI太陽能電池器件的電流-電壓曲線圖。(B) PPA和PEA分子的分子結構和電子能量軌道分布模擬結果。(C)?PPA₂SnI₄和PEA₂SnI₄薄膜的空間電荷限制電流(SCLC)表征。(D)?15% PEAI和(E)15% PPAI薄膜的電化學阻抗（EIS）表征，插圖為EIS擬合時采用的等效電路圖，其中R_s為薄膜表面的串聯電阻，R為鈣鈦礦薄膜的體電阻。(F)?不同偏壓下EIS表征中鈣鈦礦薄膜的體電阻R的擬合結果。

圖五.?PPA摻雜FASnI₃薄膜的穩定性和自修復特性研究

摻雜和未摻雜15% PPAI的FASnI₃薄膜在不同環境下的穩定性表征：(A)?氮氣環境，(B)?60%濕度的空氣環境，(C)?100℃持續加熱下。15% PPAI薄膜在不同放置條件下的自修復特性表征：(D)?加熱-氮氣循環，(E)?空氣-氮氣循環。(F)?不同有機大分子摻雜時FASnI3薄膜的自修復特性表征。(G) PPA摻雜FASnI₃鈣鈦礦結構自修復特性的可能原理。

圖六.?PPA摻雜FASnI₃薄膜的大面積電池器件

(A)?15% PPAI薄膜的低倍SEM圖。基于15% PPAI薄膜的1 cm²大面積鈣鈦礦太陽能電池器件的(B)照片，(C)不同掃描方向的電流-電壓曲線，(D)不同掃描速率的電流-電壓曲線。

本文由西安交通大學吳朝新教授團隊供稿。

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