Adv. Funct Mater. 刊发
秦平力老师课题组
关于Au@CdS核壳结构研究
导读
2020年2月5日，Advanced Functional Materials在线刊发了武汉工程大学秦平力老师课题组题为《Grain Boundary and Interface Passivation with Core–Shell Au@CdS Nanospheres for High-Efficiency Perovskite Solar Cells》的研究论文。论文共同第一作者为秦平力教授和硕士生吴彤，论文第一单位为武汉工程大学。
研究背景
钙钛矿太阳能光伏器件因其效率高、制备工艺简单、成本低等优点，已迅速成为下一代光伏器件中最有前途的候选器件之一。2009年，混合有机金属卤化物钙钛矿首次用于液体电解质电池结构。然后将量子点(QD)钙钛矿涂层方案应用于电解质敏化剂构型和固态敏化剂构型。截至2019年，钙钛矿太阳能电池(PSCs)的最高认证功率转换效率(PCE)已超过25%，远高于商用器件。
PSCs的降解主要是由大气中的水和氧进入薄膜引起的，这通常会引起与光活性材料的不良反应，特别是在钙钛矿与空穴(或电子)传输层之间的界面处。此外，离子迁移(如碘离子)会在钙钛矿与界面层之间的界面处形成载流子堆积，阻碍光生载流子转移。高质量的钙钛矿光活性层(PAL)是抑制离子进入和迁移的途径，而适当的界面调节不仅可以避免水和氧的侵蚀，还可以有效降低界面缺陷状态，从而获得更高的载流子提取率。
空穴迁移率低于电子迁移率。PSCs的性能受电荷载流子生成、重组过程、整体传输和界面萃取的平衡控制。空穴和电子之间的迁移率平衡可以有效地提高PSC的性能。因此，为了改善PCE和稳定PSCs，许多努力都集中在PSCs的空穴传输层(HTL)/钙钛矿界面调节上。迄今为止，一些聚合物已被用作模板来控制成核和晶体生长，从而改善了空穴迁移，抑制了水和氧的侵蚀。芳香族添加剂被用来抑制MA+/FA+ (MA = CH3NH3, FA = HC(NH2)2)在HTL/钙钛矿界面上的迁移和自旋，而小分子有机材料和金属有机(或卤化物)盐被用来抑制这种界面重组损失，同时仍然能够有效地提取载流子。近年来，二维/三维钙钛矿异质结构作为一种新的界面钝化概念出现，在PSCs的空穴提取侧或GBs处快速提取载流子。这些界面调节使得PCE和稳定性在干燥、黑暗条件下都有了相当大的提高。
贵金属纳米粒子(NPs)，特别是金纳米晶体，由于在可见光或近红外光驱动下自由电子的集体振荡，表现出单个或多个局部表面等离子体共振(LSPR)特性。LSPR可以通过这些金属NPs的大小、形状、周围介质环境和化学成分进行调节，表现出一些好处，不仅可以增强光吸收，还可以改善电学特性，例如增加缓冲层的导电性和增强激子解离。不幸的是，这些贵金属NPs可以与钙钛矿材料中的卤素发生反应。为了使LSPR最大化，通常需要在这些金属NPs上涂上无机氧化物(如SiO2, TiO2)来消除这些副反应。此外，这种封装的核壳结构允许共振能量从贵金属转移到半导体氧化物，有效地抑制载流子复合，以获得更多的电子-空穴对。因此，金属与半导体之间的协同作用可以有效地提高该复合体系的光电转换效率。
研究内容
研究结果
我们引入了一种简单有效的抗溶剂工程方法，即在钙钛矿薄膜形成过程中，分散在CB中的少量核壳Au@CdS NPs作为抗溶剂。发现核壳Au@CdS能在钙钛矿前驱体薄膜上引发非均相成核，从而提高薄膜质量。在GBs下，中间体Au@CdS -PbI2加合物的形成降低了Spiro-OMeTAD HTL材料的价带最大值，使其与钙钛矿材料的能带更有利。这可以避免载流子在Spiro-OMeTAD/钙钛矿界面积聚，从而抑制载流子复合。此外，在Au@CdS的LSPR的帮助下，孔洞可以通过中间的Au@CdS -PbI2桥垒爬过钙钛矿/Spiro-OMeTAD界面(或gb)的屏障。此外，Au@CdS -PbI2密封了钙钛矿的gb，以防止水分侵入。因此，Au@CdS-based PSC装置实现了比控制装置更高的效率和更好的稳定性。该方法为实现高效、稳定的无机核壳NPs提供了新的界面工程方向。
论文链接
https://doi.org/10.1002/adfm.201908408
