太原理工大學郝玉英和郝陽團隊：二維半導體MoSe2納米片提高鈣鈦礦太陽能電池性能

背景介紹

近年來，基于過程可控且可重復，易于形成垂直柱狀顆粒，可以制備更厚的鈣鈦礦(PVK)吸收體，更適合規模化生產的兩步法制備的n-i-p型鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)實現了25%以上的認證效率。然而，通常溶解在二甲基甲酰胺(DMF)溶液中的碘化鉛(Pbl₂)傾向于在基底上形成層狀致密膜，這不利于PbI₂與FAI/MAI的反應，從而導致PbI₂殘留。殘留的PbI₂容易產生Pb⁰缺陷，Pb⁰缺陷作為非輻射復合中心，阻礙電荷提取，最終導致PSCs的開路電壓(Voc)和填充因子(FF)虧缺 。此外，在兩步工藝的第一步中，最終PVK薄膜的形態強烈依賴于最初形成的PbI₂薄膜的形態和結晶。在致密PbI₂薄膜上制備的PVK薄膜往往結晶質量差，晶粒尺寸小，缺陷較多。此外，由于鈣鈦礦與電子傳輸層(ETL)襯底之間的熱膨脹(CTE)系數不匹配，導致PVK薄膜與襯底在退火過程中體積收縮差異而產生的殘余拉伸應力，從而降低離子遷移的活化能，阻礙電荷的傳輸和提取，降低器件的性能和穩定性。因此，促進PbI₂完全轉化，對PVK薄膜形貌和結晶性進行改善，釋放殘余拉伸應力，同時對鈣鈦礦能級進行調控。對于兩步法制備PSCs的發展至關重要。

成果簡介

近日，太原理工大學郝陽和郝玉英（共同通訊作者）等人報道了他們通過將純相的二維半導體MoSe₂納米片作為添加劑引入PbI₂前驅體溶液中，達到了提高Pbl₂轉化率，改善PVK薄膜形貌和結晶性，同時降低殘余應力，調控PVK能級的效果。作者發現二維半導體MoSe₂納米片起到了干擾了PbI₂的定向生長的作用，導致晶粒隨機堆積，形成了多孔PbI₂薄膜。低結晶度的多孔PbI₂薄膜可為FAI/MAI提供良好的擴散通道,有助于PbI₂完全轉化，很大程度上消除了PbI₂殘留，增加了PVK的晶粒尺寸和結晶度。另一方面，位于PVK層底部的MoSe₂納米片可以釋放PVK在熱退火過程中形成的殘余應力，并實現更匹配的界面能級排列。結果表明，添加二維MoSe₂ 納米片的PSCs的平均光電轉換效率（PCE）由標準器件的19.40%提高到21.76%，最優PCE達到22.80%。同時，MoSe₂納米片摻雜的PSCs穩定性也得到了提升。研究成果以題為“Pure 2H Phase MoSe₂ Nanosheets Promote Formation of Porous PbI₂ Film and Modulate Residual Stress for Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells”發布在期刊Journal of Materials Chemistry C上。

圖文解讀

圖1 二維半導體MoSe₂納米片形貌與性能的表征

圖2 二維半導體MoSe₂納米片摻雜制備碘化鉛薄膜流程圖及對碘化鉛薄膜的影響

圖3 二維半導體MoSe₂納米片摻雜對鈣鈦礦薄膜形貌的影響及殘余拉伸應力的釋放

圖4 二維半導體MoSe₂納米片摻雜對鈣鈦礦能級的影響

圖5 二維半導體MoSe₂納米片摻雜對器件性能的影響

圖6 二維半導體MoSe₂納米片摻雜前后鈣鈦礦太陽能電池各種電學和穩定性表征

小結

作者利用SEM，AFM, XRD等表征手段揭示了MoSe₂納米片如何影響PbI₂薄膜的形貌。得益于多孔PbI₂薄膜的形成，PVK薄膜的形貌與結晶性也發生了變化。作者發現MoSe₂納米片摻雜的PVK薄膜具有更好的結晶性以及更大的晶粒尺寸，這些特性有效抑制了非輻射復合，提高了開路電壓；此外，利用EDS，GIXRD及UPS等測試證明分布在PVK薄膜底部的MoSe₂納米片可以在ETL和PVK薄膜之間起到“潤滑劑”的作用，顯著降低界面拉伸應變。同時，MoSe₂納米片摻雜改善了界面能級匹配，PVK/傳輸層界面處更好的能級匹配有利于電荷提取，減少電荷復合損失，因此可以獲得更高的Voc和Jsc。作者最后進行了一系列電學表征，結果表明MoSe₂納米片的摻雜對器件的載流子復合有明顯的抑制作用。并且，能夠有效地降低器件的陷阱態密度。另外，器件在未封裝情況下暴露在N₂環境中測試的穩定性曲線表明了MoSe₂納米片摻雜也可以提高器件的穩定性。綜上所述，本工作為合理設計PbI₂和PVK薄膜的微觀結構提供了一種可靠的技術，為兩步法實現高效穩定的PSCs提供了一種新的方法。

文獻鏈接

Pure 2H Phase MoSe₂ Nanosheets Promote Formation of Porous PbI₂ Film and Modulate Residual Stress for Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells, Journal of Materials Chemistry C，2023，DOI: 10.1039/D3TC01076G.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/tc/d3tc01076g/unauth

本文由作者供稿