Adv. Mater. ：混合型鈣鈦礦晶體的加和配位效應及高性能太陽能電池

【引言】

近年來，有機—無機混合型鈣鈦礦太陽能電池由于其高的轉換效率以及低的組裝成本而越發地引起人們的關注。混合型鈣鈦礦材料具有獨特的晶體結構以及電子構型，這一特點使得其具有非常優異的光—電性質，例如，吸收率高、負載壽命長、流動性高以及貫穿的能帶結構和優異的缺陷耐性。近年來，隨著混合型鈣鈦礦薄膜成型技術的發展，越來越多的對該種材料有機—無機界面間的反應進行了探索。同時，一系列前驅物以及相應過程的條件也被調研得越來越清晰。而當前，人們似乎更注重在溶液過程中一步或兩步反應直接得到高質量的鈣鈦礦薄膜材料。但人們提出的觀點無外乎強調強配位分子二甲亞砜（DMSO）可以用于制備PbI₂-DMSO或者CH₃NH₃I-PbI₂-DMSO。但是，這種觀點中常常需要引入反溶劑甲苯、氯苯等可以消除一步成膜過程中的配位加和性。所以，在制備特定相鈣鈦礦薄膜方面，仍然存在一些挑戰。

【成果簡介】

近日，北京科技大學物理化學系王新東教授（通訊作者）和北京大學工學院周歡萍研究員（通訊作者）團隊合作，首次將弱配位分子（如二腈、ACN）作為加和劑引入了PbI₂/DMF（二甲基甲酰胺）溶液中，并發現，合適比例的CAN/PbI₂能夠成功影響PbI₂—DMF絡合物的化學鍵。反過來，該前驅體絡合物又能影響最終得到的鈣鈦礦薄膜的形貌和粗糙度。他們的研究成果也許就能夠揭示有關鈣鈦礦薄膜的微觀機制，并呈現出弱配位加和性。進一步來說，ACN輔助的鈣鈦礦薄膜用于太陽能電池后，能夠得到平均高達17.43%的功率轉換效率（PCE），并且，其中最好的電池的PCE能夠高達19.7%，穩定效率為17.5%。弱配位加和分子的應用，能夠引起鈣鈦礦薄膜在生長過程中晶體成型時動力學的改變，從而打開薄膜成型研究中的新的大門，并為更加高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池提供新的研究方法。該研究成果，還有可能進一步擴展到基于其他器件的有機—無機混合型材料的制備中。

【圖文導讀】

圖1：通過DMF中不同比例的ACN與DMSO下通過兩步懸涂法合成的鈣鈦礦薄膜的SEM圖

（a）ACN 0.5， ? ?（b）ACN 1.0， ?（c）ACN 1.5， ? ?（d）ACN 2.0，

（e）DMSO 0.5，（f）DMSO 1.0，（g）DMSO 1.5，（h）DMSO 2.0。

圖2：結構表征信息

（a）ACN/DMF不同比例下通過兩步法制備的CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜；

（b）動態光散射法測得的前驅體絡合物體系下PbI₂(DMF)x絡合物的尺寸分布圖；

（c）前驅體溶液中不同比例ACN的傅里葉轉換紅外光譜圖（FTIR）；

（d）C=O官能團的局部放大紅外光譜圖。

圖3：ACN/DMF不同比例下通過兩步懸涂法制備的PbI₂薄膜的SEM圖

MAI涂覆之前：（a）ACN 0.5，（b）ACN 1.0，（c）ACN 1.5，（d）ACN 2.0；

MAI涂覆之后，退火處理前：（e）ACN 0.5，（f）ACN 1.0，（g）ACN 1.5，（h）ACN 2.0。

圖4：時間分辨光致發光譜（TRPL）

（a）ACN-x樣品；（b）DMSO-x樣品。

圖5：相應太陽能電池的性能測試結果

（a）最優ACN加和的太陽能電池全太陽光照射下所得J-V曲線；

（b）0.96 V偏壓下的光電流密度和功率轉換效率；

（c）代表性電池的IPCE光譜及其積分電流密度；

（d）ACN加和下CH₃NH₃PbI₃太陽能電池的可重復性。

文獻鏈接：The Additive Coordination Effect on Hybrids Perovskite Crystallization and High-Performance Solar Cell （Adv. Mater.，2016，DOI: 10.1002/adma.201603021）

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