電子科技大學李世彬教授Nano Energy:混合溶劑作為反溶劑衝洗工藝「縫合」三基團鈣鈦礦晶粒提升鈣鈦礦太陽能電池性能

2021-01-16 材料人

【引言】


近年來，有機無機鈣鈦礦材料因為其良好的缺陷容忍度、較長的載流子擴散長度以及較強的光學吸收等優異的光電性能，成為了新一代低成本、高效率的太陽能電池材料的研究熱點。效率從2009年的3.8%迅速的攀升到現在的22.1%。有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池的研究經歷了多個階段和方面，大量的研究人員從製備工藝、界面優化、物理特性、材料組份等多個領域都對鈣鈦礦太陽能電池的性能提升和器件機製做出了貢獻。溶劑工程一直都是鈣鈦礦研究中的一個重要方面，溶液法的鈣鈦礦沉積工藝也經歷了一步法工藝、兩步法工藝和反溶劑衝洗工藝等發展歷程。通過溶劑工程的處理，我們可以更好地理解鈣鈦礦薄膜生長動力學機制以及調控鈣鈦礦薄膜製備過程，從而得到成本更低、性能更高的鈣鈦礦太陽能電池。利用溶劑工程中的混合溶劑工程，可以利用混合溶劑中多種溶劑對鈣鈦礦前驅體的協同能力的強弱不同，來調控鈣鈦礦薄膜的晶粒生長，得到表面更加平整、晶粒更大的鈣鈦礦薄膜，同時相應的提升鈣鈦礦太陽能電池的光電性能。


【成果簡介】


電子科技大學李世彬教授在Nano Energy上以「Stitching Triple Cation Perovskite by a Mixed Anti-Solvent Process for High Performance Perovskite Solar Cells」為題發表文章，文章中研究者們利用了混合溶劑工藝在三基團鈣鈦礦薄膜反溶劑衝洗的過程中，通過在氯苯（CB）中加入一種弱配位溶劑異丙醇（IPA），發現異丙醇的加入可以修飾三基團鈣鈦礦的表面，通過AFM的測試發現IPA可以有效的降低鈣鈦礦表面的粗糙度，同時SEM的表徵結果表明，IPA加入之後利用混合溶劑可以增大三基團鈣鈦礦的晶粒，從而根據混合溶劑在薄膜生長過程中的作用，作者提出了弱配位作用溶劑在反溶劑衝洗過程中起到了一個「縫合作用」，通過混合溶劑工藝的可以得到不同的鈣鈦礦晶粒大小的薄膜，並且在後續過程中通過FTIR以及金相顯微鏡證實了IPA的存在會快速的帶走殘留在薄膜上的氯苯並形成更加均勻的結晶核分布。通過混合溶劑的工藝，作者分析了鈣鈦礦在混合溶劑工程下的成膜機理，並將三基團鈣鈦礦太陽能電池效率提升到19.3%。參與項目還有電子科技大學的陳志教授和英國倫敦學院的巫江博士，文章第一作者為電子科大博士研究生王亞飛。


【圖文導讀】


圖一 混合溶劑製備工藝、混合溶劑製備鈣鈦礦薄膜UV-Vis、XRD圖譜及太陽能電池性能



（a）混合溶劑製備鈣鈦礦示意圖

（b）不同比例的混合溶劑下三基團鈣鈦礦薄膜紫外可見吸收（400-1000 nm）

（c）IPA、混合溶劑（IPA：CB）和CB衝洗下薄膜在700 nm-800 nm紫外可見吸收

（d）IPA、混合溶劑（IPA：CB）和CB衝洗下薄膜的XRD分析

（e）不同比例的混合溶劑下三基團鈣鈦礦太陽能電池J-V曲線


圖二 混合溶劑製備鈣鈦礦薄膜半導體性能分析及表面形貌分析



(a)-(c) CB、混合溶劑（IPA：CB）和IPA反溶劑衝洗製備三基團鈣鈦礦表面形貌SEM

(d) 不同溶劑衝洗下晶粒大小分布統計分析

(e) 不同比例的混合溶劑下三基團鈣鈦礦薄膜積分PL強度分析

(f) 不同比例的混合溶劑下三基團鈣鈦礦電池理想因子分析

(g) 混合溶劑工藝衝洗下太陽能電池器件截面SEM圖


圖三 混合溶劑製備鈣鈦礦薄膜AFM圖譜分析



（a）CB反溶劑衝洗製備三基團鈣鈦礦AFM圖譜分析

（b）混合溶劑（IPA：CB）反溶劑衝洗製備三基團鈣鈦礦AFM圖譜分析

（c）IPA反溶劑衝洗製備三基團鈣鈦礦AFM圖譜分析


圖四 混合溶劑製備三基團鈣鈦礦薄膜生長機理示意圖及FTIR分析




（a）混合溶劑反溶劑衝洗製備三基團鈣鈦礦薄膜生長機理示意圖

（b）CB、混合溶劑（IPA：CB）和IPA反溶劑衝洗製備三基團鈣鈦礦退火後FTIR分析

（c）CB、混合溶劑（IPA：CB）和IPA反溶劑衝洗製備三基團鈣鈦礦未退火後FTIR分析


圖五 混合溶劑製備未退火三基團鈣鈦礦薄膜金相顯微鏡圖像分析



（a）未用反溶劑衝洗鈣鈦礦薄膜金相顯微鏡圖像

（b）CB反溶劑衝洗製備三基團鈣鈦礦金相顯微鏡圖像

（c）混合溶劑（IPA：CB）反溶劑衝洗製備三基團鈣鈦礦金相顯微鏡圖像

（d）IPA反溶劑衝洗製備三基團鈣鈦礦金相顯微鏡圖像


圖六 混合溶劑製備三基團鈣鈦礦最優光電性能電池J-V曲線及穩定性研究




（a）混合溶劑（IPA：CB）反溶劑衝洗製備最優性能三基團鈣鈦礦太陽能電池J-V曲線

（b）混合溶劑（IPA：CB）反溶劑衝洗製備三基團鈣鈦礦太陽能電池36h內穩定性分析


【小結】


利用加入弱配位溶劑的混合溶劑作為反溶劑衝洗的工藝，成功修飾了三基團鈣鈦礦的表面，降低了三基團鈣鈦礦薄膜的粗糙度，擴大了三基團鈣鈦礦薄膜的晶粒，成功的製備出了效率為19.3%的穩定高效的鈣鈦礦太陽能電池。這項研究分析了弱配位溶劑及其混合溶劑在反溶劑衝洗過程中對鈣鈦礦薄膜的「縫合」作用，同時研究和揭示了三基團鈣鈦礦薄膜在反溶劑衝洗工藝下的成膜機理，本項研究有利於深入的應用溶劑工程探索鈣鈦礦薄膜生長動力學和提升多基團鈣鈦礦光伏器件的性能。


原文連結：Stitching triple cation perovskite by a mixed anti-solvent process for high performance perovskite solar cells（Wang Y, Wu J, Zhang P, et al. Nano Energy, 2017, Volume 39, September 2017, Pages 616–625,  https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.07.046）（見下方「閱讀原文」）


作者簡介


李世彬，博士，電子科技大學光電信息學院教授，博士生導師，「四川省千人計劃學者」。主要從事鈣鈦礦光電器件研究、柔性傳感器及柔性光電器件方面的研究。2017年以來在Nano Energy, JMCA, Nano Research, Nanoscale, J POWER SOURCES 等國際知名期刊上發表多篇高水平論文，其中包含影響因子大於10的高水平論文2篇，ESI高被引論文2篇。


材料人新能源組背逆時光整理編輯。


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