西安交大董化、吳朝新 ACS Energy Letters：吸電子配體晶界應力調控實現高效穩定錫基鈣鈦礦太陽能電池

引言

如今，由于化石燃料儲存限制，對可再生能源的需求急劇增長，急需發展高效穩定太陽能電池。鉛基鹵素鈣鈦礦材料作為近年太陽能電池的明星材料受到了廣泛的關注和研究。然而，材料中含有的鉛對于環境和人體的危害不可忽視，阻礙了其大規模商用的發展前景。近年來，許多研究致力于發展不含鉛的錫基鈣鈦礦材料并獲得了較大的進展。相較于鉛基鈣鈦礦，Sn基鈣鈦礦材料結晶速度快、形成活化能低，使得相應薄膜結晶質量低、形貌差、缺陷密度高。此外，Sn²⁺容易氧化為Sn⁴⁺，會在鈣鈦礦薄膜中導致Sn空位和p型摻雜，進而產生更大的非輻射復合，大大降低器件能量轉換效率。這些缺陷導致的相關穩定性問題也成為Sn基鈣鈦礦太陽能電池發展的另一個瓶頸。近年來，旨在優化結晶過程的配體修飾策略在Sn基鈣鈦礦材料中顯示出巨大的潛力，大體積胺類配體被證明有利于控制鈣鈦礦薄膜的結晶生長。同時，由于胺基配體結構的疏水和疏氧性，器件的穩定性得以提高。

研究內容

針對以上鈣鈦礦太陽能電池器件中存在的問題，吳朝新教授組研究了：三種同分異構氟代配體，即4-氟-苯乙基碘化銨（4-F-PEAI）、3-氟-苯乙基碘化銨（3-F-PEAI）和2-氟-苯乙基碘化銨（2-F-PEAI），同時實現了結晶控制和Sn²⁺的氧化抑制。利用配體的氫鍵效應，制備了致密均勻的Sn基鈣鈦礦薄膜。此外，觀察到表面晶格的穩健性與配體的幾何結構密切相關，這進一步在不同程度上影響了Sn空位的形成。2-F-PEA采用彎曲幾何結構，在表面由單一方向對齊，對于結構的穩健性超過其他異構體（3-F-PEA和4-F-PEA）。不同的晶格應力影響了Sn空位形成的復雜性。結果，2-F-PEAI修飾的Sn基鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率為10.17?%（認證效率8.58 %）。在1600小時光老化試驗下，效率衰減小于15%。

該項研究工作以題目為“Ligand Orientation Induced Lattice Robustness for high-efficient and stable Tin-Based Perovskite Solar Cells”近期發表于國際期刊ACS Energy Letters (2020) （影響因子 16.331，論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.0c00960）。第一作者為課題組博士生李培舟；董化副教授、李璟睿特聘研究員和吳朝新教授為共同通訊作者，西安交通大學為第一作者單位和唯一通訊作者單位。該工作得到自然科學基金委項目（編號61935016、61505161和11574248）等的支持。

西安交通大學吳朝新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, Angewandte Chemie International Edition, ?Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters, Nano Energy等，更多研究內容可參見吳朝新團隊主頁：http://zhaoxinwu.gr.xjtu.edu.cn

圖文導讀

圖一.鈣鈦礦薄膜制備過程、結晶、形貌及其光學特性

(a)薄膜制備工藝示意圖，及2-F-PEA的3D結構。(b)FASnI₃薄膜和F-PEAI修飾薄膜的XRD，(c)UV-vis和(d-g)SEM圖像。

圖二.器件電學性能測試

(a-b)鈣鈦礦太陽能電池器件結構和能級圖。(c)不同器件的J-V曲線。(d)最高效率器件的正反掃J-V曲線。(e)2-F-PEAI修飾的器件在最大功率點的穩態電流輸出和效率。(f)控制組和2-F-PEAI修飾器件在N₂中儲存的穩定性。

圖三.配體修飾對Sn²⁺氧化和Sn空位形成的抑制

FASnI₃與F-PEAI修飾薄膜的對于(a) I與(b) Sn元素的XPS譜。(c)FASnI₃與F-PEAI修飾鈣鈦礦在UPS測試中的能級與費米能級(E_F)的對比示意圖。(d)2-F-PEAI, (e)3-F-PEAI, (f)4-F-PEAI修飾鈣鈦礦超細胞空間排列的DFT模擬。?(g)不同鈣鈦礦形成能示意圖。?(h)FASnI₃與F-PEAI的TAS分析。

圖四.?F-PEAI對FASnI₃缺陷修飾的作用

PL mapping測試中(a)2-F-PEAI與(b)FASnI₃歸一化PL強度分布。?(c)鈣鈦礦薄膜的TRPL測試。?(d)2-F-PEAI與(e)FASnI₃的PL mapping分布圖。?(f)不同PSCs的EIS測量Nyquist圖。

本文由西安交通大學吳朝新教授課題組投稿。