浙江大学/香港中文大学AEM: 苯基乙基铵阳离子基二维钙钛矿太阳电池

2021-11-29 14:32:27

【引言】

近年来，钙钛矿薄膜太阳能电池的发展前景如火如荼，但目前仍存在诸多方面的问题，如：理论尚未完善、成本仍需降低、转换效率和稳定性有待提高、实验方案及电池结构也要更优化。此外，提高二维钙钛矿基太阳能电池（PVSCs）的功率转换效率（PCE）也是急需解决的问题。

【成果简介】

近日，浙江大学吴刚教授、陈红征教授和香港中文大学路新慧助理教授（共同通讯作者）等人在Adv. Energy Mater. 上发表了一篇关于提高二维钙钛矿太阳电池效率的文章，题为“Orientation Regulation of Phenylethylammonium Cation Based 2D Perovskite Solar Cell with Efficiency Higher”。该研究表明：增加2D钙钛矿薄膜的垂直取向度是提高PCE的有效方法。通过一步旋涂法，借助硫氰酸铵（NH₄SCN）制备垂直取向高度结晶的2D (PEA)₂(MA)_n_-₁Pb_nI_3n₊₁（PEA =苯基乙基铵，MA=甲基铵，n=3,4,5）。在n=5时，PVSC的PCE从原来的0.56％（不含NH₄SCN）提高到11.01％，这是在（n <10）2D钙钛矿PVSC中，NH₄SCN的最优添加量。经证实该结构的2D钙钛矿薄膜的湿度稳定性良好，同时该研究有望极大地促进高效稳定的PVSC的商业化发展。

【图文导读】

图1 添加不同量SCN的（PEA）2（MA）4Pb5I16膜的理论和实验数据

（a）基于（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜的PVSC的能带图；

（b）基于（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜的PVSC的电流密度-电压图；

（c）基于（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜的PVSC的EQE光谱；

（d）（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜（2SCN）的PVSC的集成光电流曲线。

图2 添加不同量SCN的（PEA）2（MA）4Pb5I16膜的SEM图

（a）不添加SCN的（PEA）2（MA）4Pb5I16膜的SEM图像，顶视图和横截面（插图）；

（b）添加1 SCN的（PEA）2（MA）4Pb5I16膜的SEM图像；

（c）添加1.5 SCN的（PEA）2（MA）4Pb5I16膜的SEM图像；

（d）添加2 SCN的（PEA）2（MA）4Pb5I16膜的SEM图像；

（e）添加2.5 SCN的（PEA）2（MA）4Pb5I16膜的SEM图像；

（f）添加3 SCN的（PEA）2（MA）4Pb5I16膜的SEM图像。

图3 添加不同量SCN的（PEA）2（MA）4Pb5I16膜的XRD/FWHM

（a）添加不同量的SCN的（PEA）2（MA）4 Pb 5I16膜的XRD图谱；

（b）添加不同量的SCN的（PEA）2（MA）4 Pb 5I16膜的衍射峰强度和FWHM。

图4 添加不同量的SCN的（PEA）2（MA）4Pb5I16膜的GIWAX图

（a）0 SCN；

（b）1 SCN；

（c）2 SCN；

（d）为c中所示qr=1.30-1.42范围的GIWAX衍射强度；

（e）SCN增加（PEA）2（MA）4Pb5I16膜垂直取向的示意图。

图5 （PEA）2（MA）4Pb5I16钙钛矿的PL光谱

（a）在ITO / PEDOT：PSS衬底上的（PEA）2（MA）4Pb5I16（n = 5）钙钛矿的稳态PL光谱；

（b）在ITO / PEDOT：PSS衬底上的（PEA）2（MA）4Pb5I16（n = 5）钙钛矿的PL衰变。

图6 （PEA）2（MA）4Pb5I16膜的稳定性和取向度的关系

（a）未取向的（PEA）2（MA）4Pb5I16（n = 5）钙钛矿的XRD；

（b）垂直取向的（PEA）2（MA）4Pb5I16的XRD。

图7 钙钛矿薄膜PVSC的PCE图

基于（PEA）2（MA）4Pb5I16（n = 5）钙钛矿薄膜的PVSC在N2手套箱和空气中，湿度为55±5％，进行湿度稳定性试验。

【小结】

采用一步旋涂法制备二维钙钛矿（PEA）₂（MA）_n-₁Pb_nI₃_n+₁（n=3,4,5）膜，借助NH₄SCN作添加剂，使（PEA）₂（MA）_n-₁Pb_nI₃_n+₁膜具有垂直取向。最终确定NH₄SCN的最优添加量为2SCN且n的最优值为n=5，所得产物2D（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜的结晶度、垂直取向、电子和空穴迁移率以及湿度稳定性均取得较好结果。基于2D（PEA）₂（MA）₄Pb₅I₁₆膜的PVSC的最佳PCE为11.01％，JSC为15.01 mA/cm²，VOC为1.11 V ，填充因子为0.67；在湿度为55±5％的空气中储存160小时后仍保留其原始PCE的78.5％。这项研究为制造高PCE和良好稳定性的PVSC提供了可能性。

文献链接: Orientation Regulation of Phenylethylammonium Cation Based 2D Perovskite Solar Cell with Efficiency Higher. ( Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201702498/abstract )

本文由材料人编辑部蔡冠宇编译，刘宇龙审核。