苏州大学,重磅Angew!

科技   2024-12-25 15:00   四川  



存在问题

有机-无机杂化钙钛矿材料显示出巨大的潜力,特别是在光伏领域。钙钛矿太阳能电池(pero-SCs)的认证光电转换效率(PCE)已提升至26.7%,接近最先进的晶体硅太阳能电池。甲酰胺铅碘化物(FAPbI3)基钙钛矿通过铅碘化物(PbI2)和甲酰胺碘化物(FAI)之间的反应形成,但PbI2与FAI之间的快速反应使得制备高质量的FAPbI3薄膜变得复杂。

(1)由于PbI2和FAI之间的高反应速率,钙钛矿最初在低形成能的δ-相下结晶,这种δ相杂质作为陷阱团簇,对器件的PCE和长期稳定性有着负面影响。

(2)使用非挥发性小分子添加剂可减缓反应,但会导致界面空隙和分子扩散,且钙钛矿薄膜在长期运行下发生不可逆的破坏,影响器件的运行稳定性。

(3)尽管添加剂策略加速了相变,但并未完全消除被困的非挥发性溶剂导致空隙的问题,且小分子量添加剂在长期运行时倾向于在钙钛矿薄膜内扩散,对钙钛矿太阳能电池的长期稳定性产生负面影响。




成果及亮点

基于此,苏州大学李耀文教授和徐小平研究员等人报道了一种超价碘(III)化合物,即分子“推进器”-DPIPT,其具有三个羰基和一个C-I+键,能够通过配位和解离能力程序化调节钙钛矿薄膜生长动力学。通过使用DPIPT,作者制备了具有增强相纯度、紧凑形态和减少缺陷的高质量FAPbI3薄膜。

(1)基于DPIPT处理的pero-SCs实现了高达26.06%的光电转换效率(PCE),其中25.79%经过认证。此外,1.004 cm2的器件展现了24.65%的PCE,而0.062 cm2的器件展现了26.06%的PCE。

(2)该策略成功控制了在塑料基底上的钙钛矿薄膜生长,制造出具有25.12% PCE的柔性pero-SCs。DPIPT的使用减少了界面空隙的形成,并有效阻止了钙钛矿薄膜中离子的迁移,从而提高了器件的稳定性。

(3)作者还揭示了DPIPT在钙钛矿生长过程中的热诱导均裂作用,产生了挥发性的碘苯(IB)和电子丰富的卡宾(DPYT),有助于调节钙钛矿薄膜的晶粒生长和缺陷钝化。




内容解读
分子“推进器”-DPIPT由巴比妥酸组和碘苯组成,并通过C-I+键连接,其C-I+键易发生热诱导均裂解。通过比较DPIPT与2DBA对钙钛矿生长的影响,作者发现DPIPT在148.7 °C裂解产生IB和DPYT。通过两步法制备钙钛矿薄膜,证实了DPIPT在钙钛矿生长中的裂解和DPYT的形成。密度泛函理论(DFT)计算显示,DPIPT与PbI2的结合能强于DMSO,而通过SAPT分析揭示了DPIPT与PbI2间的强静电相互作用。
图1. DPIPT分子推进器的合成与表征
DPIPT和2DBA的引入需要额外能量以克服反应的鞍点,从而减缓FAI与PbI2之间的反应速率,防止在室温下形成δ-FAPbI3。原位光致发光(PL)显示,随着退火温度升高,δ相信号逐渐消失,α相信号在150 °C时出现。DPIPT有效抑制低温下的FAPbI3生长,并在高温下促进钙钛矿薄膜的结晶。结果表明,DPIPT在低温下抑制δ-FAPbI3生长,在高温下促进α-FAPbI3的形成。
图2.原位PL测试分析
图3. NMR、SEM、GIWAXS和XPS分析
退火至约150 °C时,配位作用减弱,FAI分子取代DPIPT与PbI2反应生成α-FAPbI3。同时,C-I+键解离生成挥发性碘苯(IB)和电子丰富的卡宾(DPYT),DMSO与IB共同挥发,消除埋藏界面的空隙,促进晶粒生长,改善薄膜的结晶性。DPYT有效钝化深层缺陷,最终获得高质量的钙钛矿薄膜。
图4.辅助晶粒生长过程示意图
作者制备了n-i-p结构的钙钛矿太阳能电池,测试结果显示,采用DPIPT的电池展现了26.06%的高效率,优于传统的23.62%。DPIPT的使用降低了陷阱密度,提高了相纯度,增强了短路电流密度和填充因子。此外,DPIPT电池在大面积和柔性基底上也表现出色,效率分别达到24.65%和25.12%。电荷动力学测试表明,DPIPT有效抑制了载流子复合,减少了非辐射复合,提高了电池的开路电压和稳定性。
图5.钙钛矿太阳能电池的性能
基于DPIPT的未封装器件在1400 h后保持95.88%的初始光电转换效率(PCE),而pero-C器件的PCE降至约60.11%。DPIPT器件在N2氛围下的连续操作中展现出超过1150 h的稳定性,表明其有效钝化缺陷并阻止离子迁移。此外,DPIPT器件在85 °C下存放1000 h后保持83.7%的初始PCE,而pero-C器件降至15.2%,表明DPIPT显著提高了器件的湿度和热稳定性。
图6.钙钛矿太阳能电池的稳定性和导电性




文献信息

Program-Modulated Kinetics of Perovskite-Film Growth by Molecular “Thruster” for High-Efficiency and Stable Perovskite Solar Cells. Angew.Chem. Int.Ed., 2024, https://doi.org/10.1002/anie.202419726.




作者信息

李耀文,长期从事可印刷光伏材料及器件(有机、钙钛矿)相关研究,尤其在可印刷太阳能电池材料合成、新型器件结构探索,大面积光伏印刷技术及功能场景应用器件开发等关键制备工艺及机理研究方面取得了一系列研究成果。

详见:https://chemistry.suda.edu.cn/31/53/c31984a405843/page.htm.

徐小平,长期从事催化剂导向及介质调控的高效及高选择性反应领域研究。

详见:https://chemistry.suda.edu.cn/31/80/c31982a405888/page.htm.

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