Adv. Mater.：高效穩定的苯基烷胺鈍化的有機鉛鹵化物鈣鈦礦太陽能電池

【引言】

最近，報道的APbX3鈣鈦礦基太陽能電池能量轉換效率高達20%，但是鈣鈦礦材料遇水較差的穩定性限制了它的實際應用。抑制APbX3鈣鈦礦水解的方法一種是通過在晶格里引入少量大尺寸的胺創建二維層狀結構；另一種是雙官能團氨基酸添加劑和鈣鈦礦晶體顆粒的交聯。最近，用十二烷基三甲氧基硅烷和四乙基銨處理鈣鈦礦表面的隔水層具有優異的耐水性。盡管穩定性得到提高，但是以上方法并未生產出接近當前記錄的高能量轉換效率的鈣鈦礦太陽能電池。

【成果簡介】

香港中文大學的趙鈮教授（通訊作者）利用小尺寸“水分電阻”鈍化與適當的空間安排，可以制造出了能量轉換效率超過19%的穩定鈣鈦礦太陽能電池。研究者通過簡單地后沉積過程，也就是在鈣鈦礦薄膜形成后鑄造添加劑溶液來引入胺功能分子。研究者選擇了共軛水電阻組，苯和三個在結構上與苯胺相似的分子，包括苯胺，芐胺和苯乙胺，通過理論和實驗研究對它們的鈍化效率進行對比。研究者發現，改性后鈣鈦礦薄膜的耐水性對分子的空間排布很敏感，只有芐胺達到最優效果，改性的FAPbI₃太陽能電池轉換效率達到19.2%，開路電壓1.12V，在至今報道的鈣鈦礦太陽能電池中電位損失是最低的。實驗中，傅里葉紅外光譜和核磁共振測試證實了鈍化層的存在和化學鍵的形成；XRD通過追蹤δ-FAPbI₃特征峰的出現證實降解過程；通過密度泛函理論計算水分子和鈣鈦礦晶格界面的相互作用力；組裝后的太陽能電池的J-V曲線和PL，TPV，EIS測試說明介紹了其光電性能。

這項研究成果通過實驗和理論的結果證實了分子鈍化的方法可以在提高鈣鈦礦電性能的同時提高其的穩定性，這對推進鈣鈦礦太陽能電池材料的優化過程十分重要。

【圖文導讀】

圖一、苯胺、芐胺和苯乙胺的結構以及鈣鈦礦薄膜的胺處理過程示意圖

a)苯胺、芐胺、苯乙胺的化學結構

b)通過旋凃法和煅燒過程對鈣鈦礦薄膜胺處理的示意圖

通過一步旋凃過程生長FAPbI₃薄膜，在鈣鈦礦薄膜中引入鈍化分子，隨后經過煅燒過程完全除去溶劑。在胺處理后，薄膜形態保持不變，通過傅里葉紅外光譜和核磁共振譜測試證實了鈣鈦礦中鈍化層的出現和化學鍵的形成。?[注]A：苯胺；BA：芐胺；PA：苯乙胺。

圖二、FAPbI₃、A- FAPbI₃、BA- FAPbI₃、PA- FAPbI₃薄膜的降解過程和XRD圖譜分析

a)FAPbI₃、A- FAPbI₃、BA- FAPbI₃、PA- FAPbI₃薄膜在50+5RH%空氣中不同的降解過程圖片。

b-e) FAPbI₃、A- FAPbI₃、BA- FAPbI₃、PA- FAPbI₃薄膜的XRD圖譜，BA-FAPbI₃薄膜在空氣中暴露了4個月，其余均暴露了3天，*和#分別標注的是α- FAPbI₃和δ- FAPbI₃的(110)晶面。

BA- FAPbI₃薄膜顯示出非常好的穩定性，XRD圖中沒有δ- FAPbI₃信號出現；PA- FAPbI₃薄膜在胺鈍化分子中額外出現了-CH₂-基團，說明胺功能分子微小的改變可以很大程度上影響鈍化效率。

圖三、A- FAPbI₃、BA- FAPbI₃、PA- FAPbI₃薄膜界面水分子吸附的密度泛函理論模擬、水分子進入界面以下的滲透以及滲透后的電子總電荷密度片

a-c) A- FAPbI₃、BA- FAPbI₃、PA- FAPbI₃薄膜界面水分子吸附的密度泛函理論模擬

d-f)水分子滲透進入 A- FAPbI₃、BA- FAPbI₃、PA- FAPbI₃薄膜界面，也就是在鈍化分子和Pb-I晶格表面之間

g-i)水分子滲透進 A- FAPbI₃、BA- FAPbI₃、PA- FAPbI₃薄膜中之后的電子總電荷密度片

[注]水分子用綠色圓圈標記，d是水分子和鈣鈦礦晶格間的距離。

圖四、太陽能電池結構示意圖和FAPbI₃、A- FAPbI₃、BA- FAPbI₃、PA- FAPbI₃的J-V曲線分析

a)太陽能電池結構配置示意圖。

b)FAPbI₃、A- FAPbI₃、BA- FAPbI₃、PA- FAPbI₃器件典型的正向反向J-V曲線，掃描速率為15V s^-1模擬AM1.5光照。

c)最優BA- FAPbI₃太陽能電池的J-V曲線。

d)最優BA- FAPbI₃器件根據時間的穩定光電流和功率輸出在偏差91V下

e)在空氣中，未改性的 FAPbI₃（黑色線）和BA- FAPbI₃（紅色和藍色線）器件的水穩定性。

[注]“Half cells” 意味著在J-V測量前只有BA-FAPbI₃薄膜在二氧化鈦/ FTO基質上是暴露在空氣中，spiro-MeOTAD和Au層沉積到薄膜上。

圖五、FAPbI₃、BA- FAPbI₃薄膜的PL光譜、TPV光譜、EIS圖分析

a)FAPbI₃、BA- FAPbI₃薄膜在玻璃基片的PL光譜

b)FAPbI₃、BA- FAPbI₃薄膜的時間分辨PL衰變

c)在短暫的TPV測試中，FAPbI₃、BA- FAPbI₃器件的光強度依賴

d)從TPV光譜中提取光強度依賴復合速率常數K_r

e)FAPbI₃、BA- FAPbI₃器件在0.8V偏差，模擬AM1.5光照下測試的奈奎斯特圖

文獻鏈接:Phenylalkylamine Passivation of Organolead Halide?Perovskites Enabling High-Efficiency and Air-Stable?Photovoltaic Cells?(Adv. Mater. 2016 ,?DOI: 10.1002/adma.201603062)

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