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布朗大学 Chem : 基于连续晶界功能化的高效稳定钙钛矿太阳能电池

导读: 目前,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的光电转化效率已经达到22.7%,超过了商业化的晶硅太阳能电池。但是由于钙钛矿材料在大气环境中难以长期稳定,仍是限制其工业化的致命弱点。

目前,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的光电转化效率已经达到22.7%,超过了商业化的晶硅太阳能电池。但是由于钙钛矿材料在大气环境中难以长期稳定,仍是限制其工业化的致命弱点。钙钛矿多晶膜的缺陷多存在于薄膜的表面和相邻晶粒间的晶界中,载流子的复合与材料降解活跃在这些区域,严重制约了器件的稳定性与效率。目前多通过表面钝化的策略隔绝材料与水氧接触。然而,目前报道的表面钝化材料以高分子聚合物居多,这些聚合物的选择往往是随机的。随机的聚合物掺杂到钙钛矿薄膜中,阻碍了载流子的传输,从而部分牺牲了材料优良的光电性能。

【成果简介】

近日,Chem上刊登了题为:“Continuous Grain-Boundary Functionalization for High-Efficiency Perovskite Solar Cells with Exceptional Stability”的文章。文章的通讯作者为美国布朗大学的Nitin. P. Padture教授和Yuanyuan Zhou教授以及中科院青岛生物能源与过程研究所的逄淑平研究员。文章的第一作者为布朗大学访问博士生宗迎夏。

【本文亮点】

研究者们通过分析分子间的相互作用,选取了具有“亲水-疏水-亲水”对称结构的三嵌段共聚物Pluronic P-123加入到前驱体溶液中,调控钙钛矿多晶膜的结晶行为,获得极为平整而又致密的MAPbI3钙钛矿薄膜。同时,这种三嵌段共聚物在晶界处形成连续且厚度可调节的网状结构,钝化了晶界,有效的提升了器件的光电转化效率和对环境的耐受力。通过这种对于晶界修饰的钙钛矿薄膜器件光电转化效率达到19.4%,在一个标准太阳光模拟光源下持续光照480h,仍能保持92%的效率。同时,这种晶界被修饰过的薄膜显示出优异的湿度稳定性,光照稳定性和热稳定性。

【图文导读】

图一. 三嵌段共聚物修饰晶界的示意图与结构模型 

 A 三嵌段共聚物在MAPbI3薄膜内沿晶界形成钝化网络的示意图

B 三嵌段聚合物与钙钛矿分子间的氢键作用

C 计算钙钛矿分子与三嵌段聚合物之间的作用能的计算模型示意图

图二. 三嵌段聚合物最优掺杂量(0.5%wt)的材料表征图

A 三嵌段聚合物最优掺杂量(0.5%wt)的钙钛矿薄膜的XRD图谱

B 三嵌段聚合物最优掺杂量(0.5%wt)FTIR 图谱

C 三嵌段聚合物最优掺杂量(0.5%wt)的钙钛矿薄膜SEM 图像

D 三嵌段聚合物最优掺杂量(0.5%wt)的钙钛矿薄膜 AFM 图像

图三. 掺杂不同量三嵌段聚合物的钙钛矿薄膜的TEM 表征图

A 最优掺杂量(0.5%wt)的钙钛矿薄膜的低倍数TEM 图像

B-D不同掺杂量(0 wt%,0.5% wt, 1.0% wt,10% wt)的钙钛矿薄膜的高倍数TEM图像

E 最优掺杂量(0.5%wt)的钙钛矿薄膜中氧元素的电子能量损失谱

图四. 掺杂最优量的三嵌段共聚物的钙钛矿太阳能电池的结构及表征

A 最优掺杂量的三嵌段共聚物钙钛矿电池的横截面SEM 图像

B 不同三嵌段共聚物掺杂量电池器件的J-V曲线

C 最优掺杂量的三嵌段共聚物钙钛矿电池器件的J-V曲线

D 最优掺杂量的三嵌段共聚物钙钛矿电池器件的EQE及积分电流

图五. 掺杂最优量三嵌段共聚物的钙钛矿薄膜的稳定性测试(无掺杂的钙钛矿薄膜为空白样)

A 湿稳测试:70% RH

B 热稳测试:100℃

C 光稳测试:一个标准太阳

D 掺杂0.5%wt的P123 MAPbI3 太阳能电池在模拟一个标准太阳光照下480h的效率统计图

【小结】

研究者们理性地选择了具有“亲水-疏水-亲水”对称结构的三嵌段共聚物Pluronic P-123掺杂到MAPbI3钙钛矿前驱体溶液中,调控成膜过程,获得极为平整致密的钙钛矿多晶薄膜。同时聚合物沿着多晶膜的晶界形成连续的钝化网络,且随着晶界修饰后的钙钛矿薄膜显示出优异的环境耐受力。这项研究进一步推进了晶界功能化修饰对于提高钙钛矿材料及器件稳定性的研究进程,对于未来制造低成本、高光电转化效率和室外环境稳定的光伏器件提供了新的思路。

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