Adv. Energy Mater.：DMSO與二乙醚的協同作用，形成高重現性和高效率MA0.5FA0.5PbI3鈣鈦礦型太陽能電池

【引言】

近年來，鹵化物鈣鈦礦材料已經成為推動太陽能電池領域的一場革命，因為它們提供了低成本和出眾的光電性能。自2009年發明以來，鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的功率轉換效率（PCE）在很短的時間內迅速攀升，這主要歸功于高質量薄膜的沉積和鈣鈦礦材料的重大進展。甲基銨（MA⁺）、甲酰胺（FA⁺）、銫（Cs⁺）和銣（Rb ⁺）陽離子的結合，以及Cl、Br和I陰離子的結合，可以制造出高PCE PSCs。然而，這種成分工程也可以引起晶體結構和薄膜形態的重大變化，與光/場誘導的離子運動和元素分離，潛在地損害設備的長期運行穩定性。此外，結構越來越復雜，性能/穩定性結果難以復制，給合金化方法的重現性和規模化蒙上了陰影。簡化鈣鈦礦的組成有可能從根本上解決這些問題。在這種情況下，由于更長的電荷擴散長度、更高的熱穩定性和更接近理想PCE極限的帶隙，純α-FAPbI₃鈣鈦礦被認為是更好的選擇。但是，FA⁺陽離子的半徑較大，因此難以形成穩定、純相的3D鈣鈦礦以及高質量薄膜。因此，合成高質量MA_1-xFA_xPbI₃薄膜的能力對于制造高PCE，簡單組成的PSC至關重要。?但是，當x較大時，這很難實現，因為α-FAPbI₃經歷了向“黃色”非鈣鈦礦過FAPbI₃的相變，由此產生的膜的結晶并不理想。反過來又限制了MA_1-xFA_xPbI₃薄膜的PSCs性能。

【成果簡介】

近日，在瑞士洛桑聯邦理工學院Mohammad Khaja Nazeeruddin教授團隊等人（通訊作者）帶領下，與美國布朗大學和豐田汽車公司合作，證明了通過二甲基亞砜和二乙醚的協同作用，利用溶劑介導的相變過程，將50%的甲酰胺（FA⁺）混入甲胺碘化鉛（MAPbI₃）中，就能形成高結晶、穩定相和緊湊的多晶晶粒形態的鈣鈦礦，表現出較長的載流子壽命、較低的阱態密度，在純碘化物、堿性-非金屬的MA_0.5FA_0.5PbI₃鈣鈦礦基PSCs中，具有創紀錄的21.8%的功率轉換效率（PCE）。這些PSCs表現出非常高的工作穩定性，在1000小時1日照強度下，PCE保持率為85%。還展示了一個17.33%的PCE模塊（6.5×7cm²），證明了這種器件的可擴展性。該成果以題為“The Synergism of DMSO and Diethyl Ether for Highly Reproducible and Efficient MA_0.5FA_0.5PbI₃ Perovskite Solar Cells”發表在了Adv. Energy Mater.上。

【圖文導讀】

圖1 FA_0.5MA_0.5PbI₃鈣鈦礦薄膜的結構表征

圖2 CB5和DE5薄膜的形貌表征

圖3 CB5和DE5薄膜的光物理性質

圖4 CB5和DE5器件的光伏性能

圖5?DE5基鈣鈦礦太陽能電池的光電性能表征

【小結】

綜上所述，所報道的具有最高認證效率的PSCs通常是基于碘化物鈣鈦礦和少量鹵素摻雜劑（Br或Cl），或堿性金屬摻雜劑（如Cs、Rb）。由于I/Br/Cl和有機陽離子/堿性金屬中不可避免的光誘導元素分離問題，這可能會對設備的長期運行穩定性提出問題。在這項工作中，該團隊簡化了鈣鈦礦的組成，這有可能從根本上解決這些問題。證明了在純-碘化物、堿性-非金屬MA_0.5FA_0.5PbI₃鈣鈦礦基PSCs中，二乙醚作為溶劑中介體參與了鈣鈦礦薄膜的相變和結晶，其效率達到了創紀錄的21.8%。總的來說，這項工作為生產高性能PSCs開辟了一條新途徑，同時最大限度地減少鹵素或堿金屬摻雜物在實際應用中的使用。

文獻鏈接：The Synergism of DMSO and Diethyl Ether for Highly Reproducible and Efficient MA_0.5FA_0.5PbI₃ Perovskite Solar Cells（Adv. Energy Mater.， 2020，DOI:10.1002/aenm.202001300）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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