大連理工大學Solar RRL封面:組分調控實現高效穩定二維鈣鈦礦太陽能電池

youyoucao 2年前 (2021-05-13) 2076瀏覽

第一作者：魏一

通訊作者：趙紀軍

通訊單位：大連理工大學

一、PSC亟待解決的關鍵問題

鈣鈦礦太陽能電池已成為最有前途的下一代太陽能電池的候選者之一。然而，在提高電池的光電轉換效率的同時，它們的不穩定性對實際應用仍然是一個挑戰。

二、成果簡介

與三維鈣鈦礦相比，二維Ruddlesden-Popper（2D-RP）鈣鈦礦太陽能電池可以通過調控鈣鈦礦層組分及空間陽離子，從而提供更豐富的材料特性和更適用于器件的光電性質。鑒于此，大連理工大學物理學院趙紀軍教授課題組通過對準二維Ruddlesden-Popper（2D-RP）相鈣鈦礦材料的有機組成進行調整，制備出基于Formamidinium(FA)和4-fluorophenethylammonium(FPEA)有機陽離子的電池，同時提高了電池的效率及穩定性，最高效率可達到16.15%，未封裝電池在室內環境30-70%濕度下經過2112小時仍可保持95%的初始效率！該工作受邀以封面文章“Compositionally Designed 2D Ruddlesden–Popper Perovskites for Efficient and Stable Solar Cells”發表于wiley旗下知名能源類期刊Solar RRL，文章的第一作者為魏一副教授。

三、結果與討論

要點1：FPEA-FA薄膜的優越性

在對2D-RPP（(RNH3)2An-1MnX3n+1(n=1, 2, 3…)）結構有機基團調控中，我們用FA取代了傳統的MA（methylammonium），即(FPEA)2(FA)n-1PbnI3n+1，系統地對組分比例n=9的電池進行了器件研究。為了更好地闡明間隔材料“R”和“A”對材料性能的影響，同時制備了對照組PEA（phenethylammonium）和FPEA n=9的MA基類似物，由此產生的四種鈣鈦礦對照組電池，簡稱為“FPEA-FA”、“PEA-FA”、“FPEA-MA”和“PEA-MA”。工作深入探討了FPEA、PEA、MA和FA離子對薄膜表面形貌、晶體結構的影響。所研究的四種鈣鈦礦薄膜的x射線衍射(XRD)圖如圖1所示。兩個主要的衍射峰在14°和28°對應于(111)和(202)晶格面， FPEA-FA的衍射峰強度遠遠強于其他三種鈣鈦礦，表明其優越的結晶性。另外FPEA-FA中(202)晶面所占比例最大，說明該晶體中沿面外方向垂直生長的比例較大。同時我們得出(111)的半峰寬(FWHM)，FPEA-FA結果最小，再次強調了FPEA-FA的高結晶度。

圖1?不同組分的鈣鈦礦薄膜XRD圖

在后續對FPEA-FA薄膜的研究中，我們對其進行了SEM，AFM形貌測試，吸收譜和光致發光光譜測試，結果顯示FPEA-FA薄膜具有更平滑致密的表面形貌，更寬的光吸收范圍，極大地提升了光生電流，時間分辨光致發光和空間電荷限制電流測試結果顯示，FPEA-FA具有更低的缺陷態密度和更長的載流子擴散長度，更有利于電子傳輸。

圖2 不同組分的鈣鈦礦薄膜吸收譜圖以及光致發光圖，時間分辨光致發光圖，缺陷態密度測試圖，SEM，AFM圖

要點2：不同2D-RP組分鈣鈦礦太陽能電池的性能以及穩定性

圖3 不同2D-RP組分的PV性能

圖4 不同2D-RP組分的穩定性

通過工藝優化，基于(FPEA)2(FA)8Pb9I28的太陽能電池最高效率達到了16.15%，開路電壓Voc達到1.07eV，電流密度Jsc達到20.88mAcm-2。值得注意的是，所選陽離子組成的薄膜在晶體質量方面表現出了極大的增強，(FPEA)2(FA)8Pb9I28薄膜表現出非常優越的熱穩定性和濕穩定性，可以在30%-70%的濕度環境下，經歷2112小時依舊可以保持95%的初始性能，遠遠超過了已報道的多種二維鈣鈦礦電池。

這一研究表明，2D-RPPs可以通過選取有機基團進行組分調控，不僅提高了鈣鈦礦電池的濕、熱穩定性，同時還能提升電池的電學性能。在實際應用中，對于可能出現的高溫、高濕自然環境，這種二維鈣鈦礦電池無疑更具有優勢。該實驗結果為未來鈣鈦礦電池的商業化應用帶來了新思路。

四、參考文獻

論文原文：

Wei, Y., Chen, B., Zhang, F., Tian, Y., Yang, X., Cai, B. and Zhao, J. (2021), Compositionally Designed 2D Ruddlesden–Popper Perovskites for Efficient and Stable Solar Cells.Sol.RRL,5:2170041.

https://doi.org/10.1002/solr.202170041

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/solr.202170041

第一作者、通訊作者介紹：

魏一：

http://faculty.dlut.edu.cn/wy/zh_CN/index.htm

趙紀軍：

http://faculty.dlut.edu.cn/zhaojj/zh_CN/index.htm

本文由作者投稿。

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