有機(jī)-無(wú)機(jī)混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PVSCs)效率自2009年3.8%提升至認(rèn)證PCE 26.15%,展現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)潛力。然而,溶液處理材料不穩(wěn)定性阻礙商業(yè)化。溶液老化影響鈣鈦礦層性質(zhì)及PVSCs性能,故開(kāi)發(fā)穩(wěn)定前驅(qū)溶液至關(guān)重要。
南昌大學(xué)陳義昌團(tuán)隊(duì)于Angewandte發(fā)表的研究(DOI: 10.1002/anie.202411708)中,探討提升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PVSCs)前驅(qū)溶液穩(wěn)定性的創(chuàng)新方法。其中提出雖然有多種延長(zhǎng)保質(zhì)期策略,研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)兩步法前驅(qū)溶液老化更顯著,因異丙醇更易引發(fā)副反應(yīng),針對(duì)兩步法前驅(qū)溶液的調(diào)控尤為重要,此研究為兩步法鈣鈦礦前驅(qū)溶液穩(wěn)定化提供重要理論基礎(chǔ)和實(shí)際指導(dǎo)
研究團(tuán)隊(duì)提出創(chuàng)新方法:在有機(jī)胺鹽溶液中添加苯-1,3-二硫醇(BDT),在PbI2前驅(qū)溶液中引入十甲基二茂鐵(FcMe10/ FcMe10+)對(duì)。BDT抑制胺-陽(yáng)離子副反應(yīng)和碘離子氧化,FcMe10/ FcMe10+對(duì)循環(huán)氧化Pb0和還原I2。結(jié)果顯示,改良后的PVSCs器件達(dá)25.31%的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE),21天后仍保持95%效率,未封裝器件1500小時(shí)后維持85%初始效率。
圖1. a) 兩步前體溶液老化機(jī)制和靶向抑制策略的示意圖。
兩步法前驅(qū)溶液制備與器件制程
胺陽(yáng)離子副反應(yīng)是主要降解原因。去質(zhì)子化引發(fā)副反應(yīng),生成低質(zhì)量薄膜。I-離子氧化為I2影響性能。PbI2分解為Pb0和I2增加非輻射復(fù)合。研究者提出多種方法,如引入添加劑抑制去質(zhì)子化、還原I2缺陷、控制結(jié)晶等。然而,現(xiàn)有研究主要集中一步法,單一添加劑難以全面解決問(wèn)題。需開(kāi)發(fā)選擇性穩(wěn)定方法以維持精確化學(xué)計(jì)量比。
以下是透過(guò)論文全文及補(bǔ)充資料所歸納出的研究手法
1. 前體溶液的穩(wěn)定化:研究人員針對(duì)兩步法中的前體溶液穩(wěn)定性問(wèn)題,提出了一種新方法。他們?cè)谟袡C(jī)胺鹽溶液中加入苯-1,3-二硫醇(BDT)和在碘化鉛(PbI2)前體溶液中加入十甲基二茂鐵(FcMe10/ FcMe10+),以穩(wěn)定前體溶液。
2. 抑制副反應(yīng):BDT的加入可以抑制胺-陽(yáng)離子副反應(yīng)和碘離子的氧化,從而形成酸性和還原環(huán)境。FcMe10/ FcMe10+則作為氧化還原穿梭,循環(huán)氧化Pb0和還原I2。
3. 光電轉(zhuǎn)換效率測(cè)試:研究人員制備了過(guò)氧化物太陽(yáng)能電池(PVSCs)裝置,并測(cè)試其光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)。結(jié)果顯示,改良后的前體溶液制成的PVSCs裝置表現(xiàn)出的PCE為25.31%,并且在溶液老化21天后仍能保持95%的效率。
Fig S20. 參考和改良的光伏電池的 J-V 曲線,具有不同濃度的 a) BDT 和 b) FcMe10 在標(biāo)準(zhǔn) AM 1.5 G 照明條件下(100 mW·cm-2)
本研究使用光焱科技AM1.5G 標(biāo)準(zhǔn)光譜太陽(yáng)光模擬器,可便于整合手套箱。針對(duì)易衰退的材料器件量測(cè)上具有相對(duì)有效的數(shù)據(jù)取的。
4. 長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試:未封裝的裝置在最大功率點(diǎn)追蹤下連續(xù)照射1500小時(shí)后,仍能保持85%的原始效率。
Fig5. k) 對(duì)應(yīng)設(shè)備的J-V曲線。l) 在N2手套箱中,在25°C下恒定光照下監(jiān)測(cè)未封裝設(shè)備的MPP。
5. 各項(xiàng)表征量測(cè)與分析:
l X射線衍射(XRD)分析:為了探測(cè)前體溶液老化對(duì)殘留應(yīng)力的影響,研究人員進(jìn)行了深度依賴的掠入射X射線衍射(GIXRD)測(cè)量。
FigS13.來(lái)自a)控制前體溶液和b)在不同時(shí)間經(jīng)過(guò)老化的目標(biāo)前體溶液制備的鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜。
l 核磁共振(NMR)分析:通過(guò)1H-NMR測(cè)量來(lái)檢查反應(yīng)物和產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化,以深入了解降解和抑制機(jī)制。
l 紫外-可見(jiàn)(UV-vis)和穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光(PL)測(cè)試:這些測(cè)試用于評(píng)估大面積過(guò)氧化物薄膜的均勻性和光伏性能。
FigS5.顯示了紫外-可見(jiàn)光吸收光譜和照片:
(a) 純BDT溶液的吸收光譜,顯示在300 nm左右有吸收峰。
(b) 純I?和I?-BDT溶液的吸收光譜。I?溶液在300-400 nm范圍內(nèi)有明顯的吸收峰,而I?-BDT溶液的吸收峰強(qiáng)度明顯降低,顯示出BDT對(duì)I?的影響。
FigS16.
a)控制前體溶液制備的鈣鈦礦薄膜和
b)不同時(shí)間老化的目標(biāo)前體溶液制備的鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)態(tài)PL光譜。
室溫下展現(xiàn)前驅(qū)體溶液95%的初始效率穩(wěn)定性
本研究提出了針對(duì)性創(chuàng)新的策略,通過(guò)引入BDT和FcMe10+添加劑來(lái)穩(wěn)定前驅(qū)體溶液,顯著延長(zhǎng)了兩步前驅(qū)體溶液的保存期。這種方法的核心在于利用BDT中的-SH基團(tuán)和FcMe10/FcMe+10氧化還原對(duì)來(lái)抑制有機(jī)陽(yáng)離子的降解和I-的氧化。此策略不僅提高了前驅(qū)體溶液的穩(wěn)定性,還改善了最終鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量。
結(jié)果表明,采用這種方法制備的鈣鈦礦薄膜具有更大的晶粒尺寸、更少的缺陷和顯著減少的PbI2殘留。這些改進(jìn)直接轉(zhuǎn)化為光伏性能的提升,實(shí)現(xiàn)了25.31%的高效率。值得注意的是,即使在室溫下存儲(chǔ)21天后,摻雜的前驅(qū)體溶液仍保持穩(wěn)定,相應(yīng)器件仍能保持95%的初始效率。通過(guò)解決前驅(qū)體溶液穩(wěn)定性這一關(guān)鍵挑戰(zhàn),本研究為推進(jìn)光伏技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn)。
文獻(xiàn)參考自Angewandte 2024_Doi:10.1002/anie.202411708
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