AM:配體調控過量PbI2助力高效穩定鈣鈦礦太陽能電池

2020-11-22 騰訊網

過量的碘化鉛(PbI2)可以減少鈣鈦礦薄膜滷化物空位並提升載流子壽命。因此，鈣鈦礦太陽能電池（perovskite solar cell, PSC）通常使用過量的PbI2作為一種缺陷鈍化材料來提升器件效率。然而，PbI2是一把雙刃劍。過量的PbI2通常分布在鈣鈦礦薄膜上下表面，並在表面形成能壘，阻礙電荷縱向傳輸。此外，PbI2受光激發產生的電荷集聚會誘導鈣鈦礦薄膜的降解。因此，合理控制PbI2的含量和分布對器件效率和穩定性至關重要。

南開大學光電子薄膜器件與技術研究所羅景山課題組聯合多家合作單位在配體工程調控納米晶形貌的啟發下，開發了一種配體調控技術來調節鈣鈦礦薄膜中過量PbI2的形貌和分布。研究者嘗試了一系列的配體作用於鈣鈦礦薄膜的製備過程，並對其工藝和濃度的影響進行了系統性的探索，成功使得過量的PbI2以納米片的形式垂直分布在鈣鈦礦薄膜晶界處。既鈍化了晶界缺陷，又避免了對電荷縱向傳輸的阻礙，有效利用了PbI2的優勢並避免了其劣勢。一系列材料和器件表徵技術（SEM, CL mapping, PL, SCLC, EIS等），驗證了過量的PbI2納米片在鈣鈦礦薄膜晶界處的垂直分布，及其降低鈣鈦礦薄膜陷阱密度和延長載流子壽命的作用。當使用合適濃度的十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）作為配體時，器件的光電轉換效率從20%提高到22%。此外，得益於鈣鈦礦薄膜載流子遷移率的提升和引入表面配體的疏水性，獲得調控的器件在空氣環境、氮氣手套箱和連續光照下的穩定性均有明顯提高。

研究者相信，廣泛的配體對鈣鈦礦薄膜中多種組分的形貌和界面具有顯著的調控作用，這為使用具有特殊官能團的配體進一步提高鈣鈦礦器件的性能指明了新的方向。相關結果以「Ligand‐Modulated Excess PbI2Nanosheets for Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells」為題發表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202000865）上。

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