研究人员在绿色反溶剂抑制非辐射复合实现高效钙钛矿太阳能电池方面取得新进展

近日,清华-伯克利深圳学院康飞宇教授、韦国丹助理教授联合中国科学院深圳先进技术研究所李江宇教授和华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室朱旭辉教授,在材料领域国际顶刊《先进材料》(Advanced Materials)上发表题为“通过绿色反溶剂工程抑制缺陷诱导的非辐射复合以实现高效钙钛矿太阳能电池”(Suppressing Defects-Induced Non-Radiative Recombination for Efficient Perovskite Solar Cells through Green Anti-Solvent Engineering)的研究论文,报道了采用绿色反溶剂处理获得的高质量钙钛矿膜,抑制缺陷诱导的非辐射复合,从而实现高效的钙钛矿太阳能电池(PSCs)。

由于其具有可调控带隙、低激子结合能、高载流子迁移率和长载流子扩散长度,有机-无机杂化钙钛矿(Perovskite)受到了广泛的关注。有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其高效率和低成本得到越来越多的研究。为了进一步改善PSCs的效率,本课题前期在成分工程(RSC Adv.,2019, 9, 30534–30540)、能级工程(ACS Energy Lett.2019, 4, 2491−2499)、形貌优化(IEEE 46th PVSC,2019, 1195-1199)等方面做了大量工作。然而传统的一步溶液加工法所制备的钙钛矿薄膜通常易遭受由缺陷引起的非辐射复合,这严重阻碍了器件性能的提高。反溶剂工程已被证明可有效地调节晶体成核和晶粒长大,但是,实现高效的器件所需要的反溶剂的量很大,而且更严重的是,其中大多数反溶剂都是有毒的,如致癌溶剂氯苯和甲苯。显然,毒性与绿色化学的工业发展理念相悖,这已成为实现低成本溶液法大面积生产的主要障碍。

通过使用溶解在乙醇(Eth)的MABr(MABr-Eth)作为绿色反溶剂处理的钙钛矿薄膜,既增加晶粒尺寸以及钙钛矿的结晶度,又可以钝化表面缺陷;再者,MABr可与由乙醇洗涤分解Cs0.15FA0.85PbI3生成的PbI2反应,避免钙钛矿损失,增强光的吸收。此情况下,制备的反式平面异质结器件ITO/PTAA/Cs0.15FA0.85PbI3/PC61BM/Phen-NADPO/Ag的最佳能量转换效率(PCE)为21.53%。此外,相应的PSCs具有更好的存储和光稳定性。

图1  钙钛矿薄膜在光照与黑暗条件下的c-AFM研究

图1  钙钛矿薄膜在光照与黑暗条件下的c-AFM研究

图2  钙钛矿太阳能电池的器件结构、能级对齐、J-V曲线及其他电学方面的表征

图2  钙钛矿太阳能电池的器件结构、能级对齐、J-V曲线及其他电学方面的表征

图3  钙钛矿薄膜飞秒瞬态吸收光谱和可能的激子捕获和复合过程

图3  钙钛矿薄膜飞秒瞬态吸收光谱和可能的激子捕获和复合过程

清华-伯克利深圳学院韦国丹助理教授与中国科学院深圳先进技术研究所李江宇教授为本文的共同通讯作者。清华-伯克利深圳学院博士后徐文战为本文的第一作者。该研究得到深圳市发展改革委、深圳市科技创新委员会、国家博士后科学基金、广东省自然科学基金的资助。

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