固体所提出均匀化钙钛矿阳离子相分布实现高效钙钛矿太阳电池
时间 : 2024-01-03     

中国科学院合肥物质科学研究院固体所,中国科学院光伏与节能材料重点实验室潘旭研究员、田兴友研究员团队与韩国成均馆大学Nam-Gyu Park教授,华北电力大学戴松元教授合作,成功在反式钙钛矿太阳电池研究方面取得新突破。研究团队首次发现钙钛矿阳离子面外分布不均匀是影响电池性能的主要原因,并通过设计1-(苯磺酰基)吡咯(PSP)作为添加剂均匀化钙钛矿薄膜相分布,获得了26.1%的光电转换效率。相关成果以“Out-of-plane Cations Homogenise Perovskite Composition for Solar Cells”为题发表于2023112日以加速在线发表(AAP)在Nature上。

钙钛矿太阳电池效率经过迅速发展后,效率提升速度明显放缓。传统界面钝化及结晶调控方法很大程度上推动了效率发展,然而针对钙钛矿体相内优化的研究却难以获得很大突破。钙钛矿薄膜内往往不可避免的会发生相分离现象,本研究团队前期工作证明有效管理卤素相分离有助于提高器件性能(Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 2213932)。高效率钙钛矿材料往往采用纯碘体系下的阳离子掺杂组分实现,尤其是FA1-xCsxPbI3,不同的阳离子组分在钙钛矿体相面外方向的分布对钙钛体相载流子扩散及界面抽取是至关重要的。通过深入研究阳离子面外方向分布不但有助于理解钙钛矿体相载流子动力学过程,更有望推动钙钛矿太阳电池的效率进一步发展。但是钙钛矿体相的不同阳离子组分是如何分布的,以及如何影响电池稳定性和效率损失的原因,目前尚不清楚。

基于此,研究团队从FA1-xCsxPbI3体系出发,一是通过元素定量分析研究了甲脒(FA)与铯(Cs)阳离子的纵向分布。飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)与X射线光电子谱(XPS)深度剖析实验发现无机Cs阳离子倾向于沉积在薄膜底部,有机FA阳离子在薄膜上界面处富集。在此基础上,科研团队进一步对钙钛矿薄膜晶相分布进行深度剖析。通过掠入射X射线衍射(GIXRD)与薄膜截面的透射电镜(TEM)分析,证明了在薄膜底部存在面间距较小的晶相,同时XRD分析在薄膜底部显示出与富Cs钙钛矿相关的特征信号。这些实验充分说明阳离子面外方向的梯度不均匀分布,这也是首次可视化验证钙钛矿薄膜的阳离子组分在面外不均匀分布。

研究团队通过原位试验方法进一步分析了这种梯度不均匀分布的原因,发现不同阳离子在结晶及相转变过程中的速率差过大是组分不均匀的主要原因。进而,科研团队设计了PSP分子以弥补不同阳离子间的结晶与相转速率差,制备出均匀化的钙钛矿薄膜。这种阳离子组分均匀分布的钙钛矿薄膜有效抑制了由底部富Cs相带来的准I型能级排列,很大程度上提升了载流子寿命及扩散长度,加强了载流子界面抽取。

科研团队利用PSP策略制备的反式钙钛矿太阳电池获得了26.1%的最高效率,认证效率为25.8%。此外,在2,500小时最大功率电追踪后(MPPT),未封装的器件仍保持其初始 PCE 92% 的可靠运行稳定性。均匀化钙钛矿组分面外分布所获得的优异性能,该研究工作开辟了提升电池器件稳定性新途径,非常有望打破钙钛矿太阳电池的效率瓶颈,为进一步提升高效、稳定的钙钛矿太阳电池提供了明确的方向,对推动PSCs走向商业化发展具有重要意义。

1. 钙钛矿空间垂直的 FA-Cs 相分离。(a)由面外FA-Cs偏析引起的不均匀相分布图。(bPSP的静电势(ESP)图像和分子结构。(c)对照样和PSP器件的飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)光谱阳离子分布。(d)基于深度XPS的原子百分比分布。(e-f)对照样品(e)和PSP处理样品(f)的HAADF透射电子显微镜图像(比例尺参考200nm)。(g-h)对照样品(g PSP h 处理的钙钛矿薄膜底部收集的GIXRD 光谱。

2. FA-Cs相分离的起源。(a)原位同步辐射掠入射广角X射线散射(原位GIWAXS)图谱揭示了结晶和相变过程。(b-c)对照样品(b)和PSP样品(c)在结晶和相变过程中自由能演化的计算结果示意图。(d-eX射线吸收精细结构谱(EXAFS)测量的傅里叶变换R空间结果图。(f 根据EXAFS测量计算出的Pb-O配位比图。(g PSPPSPPbI2)络合物的FTIR谱图。

3. 器件性能。(a)小面积钙钛矿太阳电池的J-V曲线;(b)钙钛矿太阳电池的IPCE曲线;(c)小面积钙钛矿太阳电池以LED模式运行的EQE曲线;(d1cm2钙钛矿太阳电池的J-V曲线;e-f,钙钛矿太阳电池在(eISOS L-1I与(fISOS D-3标准下的运行稳定性。

设施贡献:

国家蛋白质科学研究(上海)设施高通量晶体结构线站BL17B1为该工作的原位同步辐射掠入射广角X射线散射(原位GIWAXS)数据收集提供了实验条件和技术支持。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41586-023-06784-0

供稿叶加久 梁政