中國粉體網(wǎng)訊 近期，中科院合肥研究院固體所能源材料與器件制造研究部潘旭研究員團(tuán)隊在鈣鈦礦太陽電池研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Mixed-Phase Low-Dimensional Perovskite-Assisted Interfacial Lead Directional Management for Stable Perovskite Solar Cells with Efficiency over 24%”為題發(fā)表在ACS Energy Letters (ACS Energy Lett., 6, 4395–4404 (2021))上。
有機(jī)-無機(jī)鹵化物鈣鈦礦是近年來光電領(lǐng)域備受關(guān)注的材料之一，由于獨特的光電特性，目前鈣鈦礦太陽電池的認(rèn)證光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到25.5%，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。然而鈣鈦礦材料由于離子特性，在吸光層薄膜熱退火的制備過程中不可避免地產(chǎn)生大量缺陷，這無疑會成為載流子的非輻射復(fù)合中心，影響太陽電池的開路電壓，進(jìn)而導(dǎo)致電池效率的下降。此外，研究表明，界面處大量缺陷的存在會加快鈣鈦礦薄膜的降解，嚴(yán)重影響器件的長期穩(wěn)定性。因此，有效的界面缺陷管理對于進(jìn)一步提高器件效率和環(huán)境穩(wěn)定性至關(guān)重要。
研究團(tuán)隊通過引入2-甲硫基-2-咪唑啉（MT-Im）陽離子，設(shè)計新型低維鈣鈦礦材料并引入鈣鈦礦吸光層和空穴傳輸層界面。由于MT-Im陽離子既可以作為電子受體，又可以作為電子給體，能夠?qū)缑娑嘣缘你U（Pb）基缺陷進(jìn)行定向管理。其中-C=N和-S-CH3基團(tuán)表現(xiàn)出路易斯酸性，與未配位的Pb2+形成Pb-N和Pb-S配位鍵，抑制Pb0的產(chǎn)生；NH2+基團(tuán)又可以與PbI3-（Pb-I反位缺陷）形成配位鍵，錨定Pb2+離子。通過密度泛函理論（DFT）計算可知（圖1a，b），含有MT-Im的鈣鈦礦界面處PbI和IPb缺陷形成能分別由0.57 eV和3.15 eV升高至0.97 eV和4.24 eV，可以有效抑制缺陷的產(chǎn)生。同時，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)調(diào)節(jié)MT-Im陽離子的濃度時，界面處低維鈣鈦礦呈現(xiàn)出混合晶相（圖1c-e），有利于提高對于不同類型界面缺陷的鈍化效果，實現(xiàn)穩(wěn)定鈣鈦礦界面的作用。
圖1. (a,b) DFT計算模型和不同界面缺陷的形成能； (c-e) 低維鈣鈦礦的XRD測試結(jié)果。
進(jìn)一步研究結(jié)果表明，經(jīng)MT-Im修飾的鈣鈦礦太陽電池表現(xiàn)出低缺陷密度、抑制的界面非輻射復(fù)合和高載流子傳輸，器件開路電壓由1.14 V上升到1.19 V，呈現(xiàn)出24.07%的光電轉(zhuǎn)化效率（穩(wěn)態(tài)效率為23.25%，圖2）。此外，由于穩(wěn)定的低維鈣鈦礦層的保護(hù)作用，水分子入侵和功能層間的離子遷移被有效抑制，器件在濕度、溫度和光照條件下的長期穩(wěn)定性得到顯著提升。該研究工作為高效率鈣鈦礦光伏器件制備過程中界面缺陷的定向管理提供了新思路。
圖2. (a) 基于低維鈣鈦礦界面修飾的鈣鈦礦太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖； (b-f) 器件光伏性能測試結(jié)果。
上述研究工作得到了中國科學(xué)院特別研究助理資助項目、中國博士后科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、合肥研究院院長基金等項目的資助。
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.1c01878。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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