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中科院上海应用物理研究所Nano Energy: 钙钛矿薄膜表面结晶晶相优化

导读: 要实现此类器件的市场化应用需要进一步解决钙钛矿薄膜质量难以控制、缺陷态密度高以及器件迟滞效应等一系列问题,特别是研究表明钙钛矿晶体结构中的微小缺陷会妨碍光能转化为电能,是限制钙钛矿太阳能电池转化效率和稳定性的关键因素。

近年来,钙钛矿太阳能电池以其更加清洁、便于应用、制造成本低和效率高等显著优点,迅速成为国际上科研和产业关注的热点。要实现此类器件的市场化应用需要进一步解决钙钛矿薄膜质量难以控制、缺陷态密度高以及器件迟滞效应等一系列问题,特别是研究表明钙钛矿晶体结构中的微小缺陷会妨碍光能转化为电能,是限制钙钛矿太阳能电池转化效率和稳定性的关键因素。

近日,中国科学院上海应用物理研究所高兴宇研究员(通讯作者)、杨迎国助理研究员(第一作者)、冯尚蕾副研究员(共一)和苏州大学李萌博士(共一)等开发出一种新型钙钛矿薄膜表面钝化工艺,极大减少钙钛矿薄膜特别是其表面的微小缺陷,大幅提升甲胺铅碘(MAPbI3)基器件的光电效率达到19.94%,相关研究结果以 “Enormously improved CH3NH3PbI3 film surface for environmentally stable planar perovskite solar cells with PCE exceeding 19.9%” 为题发表在该领域国际权威期刊Nano energy 上。研究人员利用上海光源BL14B衍射线站的表面衍射观测到传统反溶剂方法制备的钙钛矿薄膜表面结晶呈现多重孪晶,是制约其器件光电转换效率和稳定性的关键因素。鉴于此,他们开发了一种“缺陷快速补偿”工艺,即在钙钛矿薄膜制备中的反溶剂处理环节添加卤素源碘化氢,采用多种同步辐射和常规表征技术实验研究证明钙钛矿薄膜表面结晶得到有效钝化,呈现出纯相结晶、无针孔、化学元素分布均一、表面势分布梯度小等优点,从而大幅提升甲胺铅碘基钙钛矿太阳能电池的光电转换效率及器件在湿度、加热条件下的环境稳定性。有趣的是,采用该工艺制备的柔性钙钛矿太阳能电池在外应力环境下也能保持很高的性能稳定性,而进一步的同步辐射原位拉伸实验证实这与薄膜表面晶粒的紧密绞联、缺陷大幅较少密切相关。文章最后从占位化学的角度揭示其反应机制。

图文导读

图1 钙钛矿薄膜钝化工艺及器件光电转化性能

a) “缺陷快速补偿”工艺流程图;b-f)HI添加比例选择及器件J-V输出;g)器件SEM截面。

图2 钙钛矿薄膜微结构的同步辐射掠入射XRD表征

a)和c)参考钙钛矿薄膜表面和体的同步辐射掠入射二维XRD图;b)和d)添加1.25 vol%氢碘酸处理后的钙钛矿薄膜表面和体的同步辐射掠入射二维XRD图;e-i)薄膜的结晶、晶面择优取向及晶面堆叠情况对比分析。

图3 优化前后钙钛矿薄膜表面形貌、元素分布、表面势分布情况

a-b) 添加1.25 vol%氢碘酸优化处理前后钙钛矿薄膜的SEM表面形貌对比;c-f)添加1.25 vol%氢碘酸优化处理前后钙钛矿薄膜的电子探针分析;g-h)添加1.25 vol%氢碘酸优化处理前后钙钛矿薄膜的SKPM分析。

图4 优化前后钙钛矿薄膜和器件的环境稳定性对比

a-d) 添加1.25 vol%氢碘酸优化处理前后钙钛矿薄膜在湿度环境下的同步辐射XRD测试及相转变分析;e-f)薄膜SEM表面形貌对比;g)优化处理前后的器件效率衰减对比。

图5 优化前后的柔性钙钛矿薄膜和器件的机械稳定性对比

a-b)添加1.25 vol%氢碘酸优化处理前后柔性钙钛矿太阳能电池的性能随外加载力的演化对比;c)柔性钙钛矿太阳能电池的同步辐射原位拉伸XRD实验装置;d-g)优化处理前后柔性钙钛矿太阳能电池的内部的钙钛矿晶体结构随外加载力的演化对比。

小结

研究人员通过“缺陷快速补偿”法制备出了高质量的钙钛矿薄膜,即单相结晶、无针孔、化学元素分布均一、表面势分布梯度小等,将甲胺铅碘钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提升至19.94%,并且器件的湿度、热及力学稳定性也得到大幅提升。该工作将为钙钛矿太阳能电池的产业化提供重要的实验和理论支撑,也有助于可穿戴柔性器件的开发。