北理工AM: 構筑高厚度低缺陷平面異質結鈣鈦礦電池

【引言】

近年來，有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池因其效率高、成本低而受到廣泛專注其中，如何構筑高厚度低缺陷的鈣鈦礦異質結是未來鈣鈦礦太陽能電池商業化的研究重點，因為這直接影響鈣鈦礦電池的良品率和工藝成本。

【成果簡介】

近日，《先進材料》（Advanced Materials）在線發表了北京理工大學陳棋教授課題組與北京大學周歡萍教授課題組關于鈣鈦礦太陽能電池的聯合研究成果，該論文題為“Chemical Reduction of Intrinsic Defects in Thicker Heterojunction Planar Perovskite Solar Cells”，(DOI: 10.1002/adma.201606774)，文章第一作者為劉宗豪博士。

【本文亮點】

陳棋和周歡萍教授課題組的研究人員通過在鈣鈦礦前驅體溶液中引入已經商業化的廉價甲胺乙醇溶液作為添加劑，制備出了高品質的鈣鈦礦薄膜（厚度達到600納米以上）和相關器件。實驗發現：1）甲胺乙醇溶液的引入能夠有效抑制碘單質的生成，避免其對器件性能的不良影響，而且大大提高了對前驅體物料比的精確控制；2）甲胺乙醇添加劑還能夠通過配位作用調控鈣鈦礦前驅體溶液的膠體顆粒大小，降低多碘-鉛配合物的濃度，進而影響鈣鈦礦薄膜的成膜過程及薄膜質量；3）一定量的甲胺乙醇添加劑還能夠降低結晶過程中的成核速率，有效促進鈣鈦礦晶粒的長大，消除晶界對器件性能的不利影響。相較于參比樣品，基于甲胺乙醇添加劑的鈣鈦礦薄膜具有較長的熒光壽命（511.9 ns?vs.?271.4 ns）、較低的能量帶邊電子排布無序性（烏爾巴赫能，21.4 eV vs. 24.7 eV）和較長的自旋壽命（31 ps， 14K），其缺陷密度降低到原來的十分之一（1.5×10¹⁵?cm^-3?vs.1.38×10¹⁶?cm^-3）。通過這一簡單的方法，基于厚度為650 nm的高質量薄膜的鈣鈦礦太陽能電池獲得了20.02%的光電轉化效率和超過19%的穩定輸出效率。更重要的是，該方法工藝簡單、普適性強，在工業化應用中具有很大的優勢。

【圖文導讀】

圖1、通過甲胺抑制碘單質的生成

(a) 加入MA / EtOH（溶液A）和鈣鈦礦前體溶液的顏色變化乙醇 (溶液B)和參考 (溶液C)分別攪拌10分鐘和12小時。

(b) CH₃NH₃I?(MAI)的紫外可見吸收光譜或I₂溶解在DMF中和相應的吸收光譜。

圖2、甲胺對鈣鈦礦前體的協調作用

以MA / EtOH作為添加劑的鈣鈦礦前體溶液中膠體中間態的示意圖。

圖3、甲胺對鈣鈦礦薄膜光物理性能的影響

左圖，具有ITO /鈣鈦礦/ Au結構的器件的電流-電壓特性曲線用于估計鈣鈦礦膜中的缺陷密度。右圖，本文中最高器件效率I-V曲線和相關參數。

【小結】

1、甲胺乙醇溶液的引入能夠有效抑制碘單質的生成，避免其對器件性能的不良影響，而且大大提高了對前驅體物料比的精確控制；

2、甲胺乙醇添加劑還能夠通過配位作用調控鈣鈦礦前驅體溶液的膠體顆粒大小，降低多碘-鉛配合物的濃度，進而影響鈣鈦礦薄膜的成膜過程及薄膜質量；

3、一定量的甲胺乙醇添加劑還能夠降低結晶過程中的成核速率，有效促進鈣鈦礦晶粒的長大，消除晶界對器件性能的不利影響。

【結束語】

該工作得到了國家自然科學基金（51672008，51673025，11404324）和青年千人計劃基金的支持。

該論文作者為：Zonghao Liu, Junnan Hu, Haoyang Jiao, Liang Li, Guanhaojie Zheng, Yihua Chen, Yuan Huang, Qing Zhang, Chao Shen, Qi Chen, and Huanping Zhou

文獻鏈接：Chemical Reduction of Intrinsic Defects in Thicker Heterojunction Planar Perovskite Solar Cells?(Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201606774)

陳棋老師簡介：

陳棋，2005年本科畢業于清華大學化工系，2007年碩士畢業于清華大學化學系，2012年博士畢業于加州大學洛杉磯分校(UCLA)材料科學與工程系，隨后以博士后身份在UCLA加州納米研究中心從事薄膜太陽能電池研究工作。中組部第十二批“青年千人計劃”入選者（公示中）。擬于2016年3月加入北京理工大學。

陳棋老師長期從事有機無機雜化及復合材料的開發與應用研究，材料廣泛應用于能源、光電等領域，具體包括太陽能電池、發光二極管、透明電極、傳感器、探測器等各類新型光電功能化器件，尤其是新型納米復合結構構筑、納米結構加工、光電材料制備、薄膜太陽能電池的制備及工藝開發等交叉前沿項目。迄今發表論文30余篇，引用超過2000次，包括Science、 Nature Communications、 Journal of American Chemical Society、Nano Letters、Advanced Materials等。論文及引用請參閱：https://xs.glgoo.com/citations?user=peA-x_EAAAAJ&hl=zh-CN&oi=ao

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