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学术 2024-11-13 20:27 广东

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成果简介

基于纯相二维（2D）钙钛矿的均匀钝化层的形成对钙钛矿太阳能电池（PSCs）来说是一个挑战，特别是当将器件升级为模块时。基于此，武汉理工大学卜童乐研究员、麦立强教授和黄福志研究员（共同通讯作者）等人系统研究了不同卤化物的传统2D配体对形成的2D钙钛矿钝化层均匀性的影响。作者首次确定了具有长链烷基胺配体的双卤化物合金2D钙钛矿的相分离问题，并揭示了定制三卤化物组成可以成功地消除相分离问题。此外，作者开发了一种通用策略，将甲脒（FA）阳离子加入大尺寸有机钝化剂中，以实现具有均匀形貌的纯相n-值2D钙钛矿盖层。

因此，长链烷基胺配体（正十二烷基铵，DA）被赋予了获得高质量、稳定的3D/2D异质结构钙钛矿的能力，具有更均匀的形貌、更少的缺陷和更快的界面电荷转移。基于无抗溶剂沉积策略，在0.14 cm²的小尺寸器件、1.04 cm²的大尺寸器件和13.44 cm²的微型模块上，最佳有源面积效率分别达到25.61%、24.62%和23.60%，每10倍放大的效率损失小于5%。此外，相应封装的太阳能微型组件表现出卓越的运行稳定性，在连续光照下最大功率点跟踪（MPPT）的T₈₀寿命超过2000小时。最值得注意的是，这种策略可以很容易地通过印刷进行升级，对于孔径分别为310 cm²和802 cm²的20 cm×20 cm和30 cm×30 cm的全槽模印刷的钙钛矿太阳能组件（PSMs），最高效率值分别为18.90%和17.59%，证明了规模化制备的可行性。

相关工作以《Homogeneous coverage of the low-dimensional perovskite passivation layer for formamidinium-caesium perovskite solar modules》为题在《Nature Energy》上发表。

卜童乐，研究员、博士生导师，国家自然科学基金优秀青年科学基金获得者，国家级高层次青年人才，主要从事材料科学和新型薄膜太阳能电池研究。

麦立强，首席教授、博士生导师，国家杰青，万人计划领军人才。国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员，武汉理工大学材料科学与工程学院院长。主要研究领域：纳米能源材料与器件。

黄福志，研究员、博士生导师，国家级高层次人才。多年从事材料科学和第三代可印刷太阳能电池，包括染料敏化太阳能电池和有机无机杂化钙钛矿太阳能电池。

图文导读

作者使用了带隙略窄的FA-主导钙钛矿（FA_0.93Cs_0.07PbI₃），Cs浓度降低了5%。后处理药剂选用常用的卤化铵，相应的PSMs结构如图1b所示，这些单铵2D配体通常是具有不同链长的线性烷基胺或具有不同苯基数目的环苯胺。稳态光致发光（PL）显示，在800 nm附近最强的发射峰可明确地分配给3D钙钛矿的荧光信号。密度泛函理论（DFT）计算表明，2D钙钛矿随着空间的增加而更难形成，甚至无法形成。

n=1钙钛矿的PL分裂只出现在DAI和DACl样品中，而DABr样品则呈现出稳定的单个n=1峰。结果表明，在双卤化物合金n=1 2D钙钛矿中容易形成相分离，而在三卤化物合金中可减轻相分离。引入Br可以显著降低自组装n=1 I-Cl合金2D钙钛矿的形成焓，从而有效抑制I-Cl相分离。将FABr引入DAX中，对3D钙钛矿表面进行后处理，发现DAX和FABr的联合使用导致3D钙钛矿上生长出均匀的n=2 2D结构，没有相分离。

图1.可扩展太阳能模块2D钙钛矿相的组成工程

图2.均匀2D相结构的生长动力学和形成机理

图3.均匀的表面形态和缺陷钝化

作者制备了具有典型结构的FTO/SnO₂/3D-钙钛矿/2D-钙钛矿/Spiro-OMeTAD/Au的PSCs。在不同后处理的钙钛矿中，DABr/FABr后处理的光伏参数最高，开路电压（V_OC）改善最为显著，可归因于均匀纯相准2D钙钛矿钝化层的缺陷最小化和良好的带向。值得注意的是，经过DABr/FABr后处理的PSCs的最佳PCE为25.61%（认证24.95%），孔径面积为1.04 cm²的大尺寸PSCs的最佳PCE为24.62%（认证24.04%），相应的集成电流密度高达24.80 mA cm^-2。

此外，这种后处理策略可以在13.44 cm²的总孔径面积上实现无抗溶剂自旋涂覆的微型模块，PCE高达23.60%。在16 cm²的孔径面积上具有22.22%的高效率，几何填充系数（GFF）约为96%，相当于23.1%的有效面积PCE。经DABr/FABr后处理的PSCs表现出良好的热稳定性，在55 °C、N₂条件下，经过~650 h后，其PCE保持在初始PCE的~89%，比经过DABr后处理的器件（~650 h后的~72%）和原始器件（~450 h后的~59%）的热稳定性更高。

在环境空气中（~20 °C，20% RH），DABr/FaBr-修饰的PSCs保持初始PCE的~88%，而DABr和原始器件分别仅保持了78%和64%。同时，DABr/FABr器件在N₂气氛中表现出比同类器件更好的光浸泡稳定性，在白光LED照射下2500 h保持约93%的原始效率。封装的太阳能微型组件在连续光照下，在MPPT下T₈₀寿命超过2000 h，具有出色的运行稳定性。

图4.光伏性能和稳定性表征

本文使用槽模印刷来沉积大规模钙钛矿和2D钝化层，通过精心调制P1、P2和P3图案的激光刻划工艺，获得了高达96%的高GFF。通过实现这种均匀化的低维结构钙钛矿钝化工程，作者对孔径分别为310 cm²和802 cm²的20 cm×20 cm子模块和30 cm×30 cm小模块的效率分别达到了18.90%和17.59%，表明这种均匀的高n-值2D相封盖层在3D钙钛矿上具有可扩展性和商业化制造的有效性。

图5.可扩展的印刷大面积模块

文献信息

Homogeneous coverage of the low-dimensional perovskite passivation layer for formamidinium-caesium perovskite solar modules. Nature Energy, 2024, https://doi.org/10.1038/s41560-024-01667-8.

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