四年磨一劍：Snaith團隊Nature Materials

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  • 【導讀】

鈣鈦礦基太陽能電池作為新一代太陽能電池的代表，其效率自2009被首次報道以來的低于4%在短短幾年內迅速提升至25%以上。僅就效率而言，鈣鈦礦太陽能電池已可以和最先進的硅基太陽能電池平分秋色。然而，鈣鈦礦太陽能電池的穩定性問題仍是阻礙其最終商業化應用的最大瓶頸。一直以來，組分調控被認為是提升鈣鈦礦太陽能電池穩定性的重點；而結晶過程對器件穩定性的影響則被長期忽視。通過對結晶過程的研究，有望為提升鈣鈦礦太陽能電池提供新的思路。

  • 【成果掠影】

近日，牛津大學Henry J. Snaith團隊和莫納什大學Udo Bach團隊在Nature?Materials上合作發表了新的研究論文，通過添加二甲基銨（dimethylammonium）陽離子調控鈣鈦礦結晶過程中的中間產物，實現高穩定的鈣鈦礦太陽能電池。N,N-二甲基甲酰胺（DMF）是制備鈣鈦礦薄膜的常用溶劑，而其在氫鹵酸的作用下會分解生成相應的二甲基鹵化銨，并進入鈣鈦礦晶格形成有機-無機混合鈣鈦礦。這實際上改變了離子間的比例從而使得前驅體溶液中鉛鹵配合物的成分不同并最終導致產物的形貌和穩定性的差異。基于以上分析，作者在制備鈣鈦礦薄膜的過程中，通過調控所加入的二甲基氯化銨（DMACl）的含量對鈣鈦礦結晶序列的進行控制，實現了從六方相共面鈣鈦礦到立方相共角鈣鈦礦的轉變。在適量DMACl的作用下，可獲得絨面的、具有高結晶性的鈣鈦礦薄膜。同時，在DMACl參與下獲得的鈣鈦礦薄膜具有更加優異的抗濕性和熱穩定性，以其組裝的太陽能電池器件的T80（效率降至初始效率的80%所對應的時間）可達到1410小時。

相關研究文章以“Intermediate-phase engineering via dimethylammonium cation additive for stable perovskite solar cells”為題發表在Nature?Materials上。

  • 【核心創新點】

深入討論了溶劑酸解對鈣鈦礦薄膜形貌的影響，隨后通過引入鹵化銨成功的實現了對鈣鈦礦薄膜形貌的調控。

  • 【數據概覽】

圖1.?氫鹵酸對FA0.83Cs0.17Pb(I0.6Br0.4)3薄膜形貌、晶粒質量和電子無序性的影響。(a) DMF分解成二甲基銨和甲酸。(b, c)?以DMF/DMSO為溶劑制備的鈣鈦礦薄膜和以DMF/acid制備的鈣鈦礦薄膜的照片。(d, e)?沉積在FTO基底上的鈣鈦礦薄膜的廣角X射線散射。(f, g) 由傅里葉變換光電流光譜得到的以DMF/DMSO為溶劑的和DMF/acid制備的鈣鈦礦薄膜的EQE。(h) 混合鈣鈦礦薄膜中主相和高碘次相的禁帶寬度。(i) 不同輻照時間后相分離的程度及其引起的Voc損失??The Author(s)

圖2. DMACl對合成FA0.83Cs0.17Pb(I0.6Br0.4)3過程中中間產物的影響。(a) 六方和立方鈣鈦礦結構及其對應的PbI6的連接。(b, c) 不同DMACl添加量下旋涂所制備的DMAx(FA0.83Cs0.17)1-xPb(Br0.2I0.8)3Clx鈣鈦礦薄膜照片及其相應的X射線衍射圖譜。(d) A位陽離子的結構示意圖 (e) 不同薄膜的紫外-可見吸收光譜??The Author(s)

圖3.?不同DMACl添加量對FA0.83Cs0.17Pb(I0.6Br0.4)3鈣鈦礦薄膜晶粒質量、取向和電子無序性的影響。(a) 不同DMACl添加量下鈣鈦礦薄膜的SEM照片。(b) 相對基底不同取向的晶粒的示意圖。(c) 不同DMACl添加量的鈣鈦礦薄膜的二維X射線衍射圖譜。(d) 不同DMACl添加量的鈣鈦礦薄膜(100) 晶面二維X射線衍射強度。(e) 經退火后的不同DMACl添加量的鈣鈦礦薄膜的一維X射線衍射圖譜?(f) (100) 晶面對應的衍射峰的半峰高寬 ?The Author(s)

圖4. 溶劑和制備方法對薄膜抗濕性的影響。(a) 85%濕度下不同方法制備的薄膜的照片。(b) 不同薄膜的1H NMR譜圖 ?The Author(s)

圖5. 薄膜的熱穩定性。(a) 鈣鈦礦薄膜在150 oC下N2氣中退火不同時間后的照片。(b-d) 對應薄膜的紫外-可見吸收光譜。

  • 【成果啟示】

綜上，探明鈣鈦礦薄膜的結晶序列并實現對其調控，是除組分調控外的另外一條提升鈣鈦礦薄膜穩定性的重要途徑。

 

原文詳情：Intermediate-phase engineering via dimethylammonium cation additive for stable perovskite solar cells,?Nature?Materials, 2022,

DOI: 10.1038/s41563-022-01399-8

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