武汉理工大学，最新Nature Energy！
学术
2024-11-16 23:47
浙江
基于纯相二维(2D)钙钛矿形成均质钝化层对于钙钛矿太阳能电池来说是一个挑战，尤其是在将器件升级为模块时。本文揭示了在三维钙钛矿之上生长的2D钙钛矿的链长相关和卤化物相关的相分离问题。
鉴于此，武汉理工大学卜童乐教授、程一兵院士、黄福志教授、麦立强教授证明，用长链 ( >10) 烷基胺配体盐中的甲脒溴化物处理钙钛矿层后可以形成均质的 2D 钙钛矿钝化层。对于无反溶剂处理的小尺寸 (0.14 cm2) 和大尺寸 (1.04 cm2) 器件和微型模块 (13.44 cm2)，研究人员分别实现了 25.61%、24.62% 和 23.60% 的最高有源面积效率。该钝化策略与印刷技术兼容，使面积为 310 cm2 和 802 cm2 的全槽模印刷大型太阳能模块的孔径面积效率分别达到 18.90% 和 17.59%，证明了扩大制造的可行性。相关研究成果以题为“Homogeneous coverage of the low-dimensional perovskite passivation layer for formamidinium–caesium perovskite solar modules”发表在最新一期《Nature Energy》上。值得一提的是，卜童乐教授，1993年2月出生，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室研究员,博士生导师，国家自然科学基金优秀青年科学基金获得者。武汉理工大学本硕博，2020年11月在日本冲绳科学技术大学院大学做博士后，2022年3月受聘武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室任研究员。从2021年至今，他已发表一篇Science，两篇Nature Energy。担任《Acta Physico-Chimica Sinica》、《eScience》等期刊青年编委。研究发现，较短的链配体往往会增加 2D 钙钛矿内的相分离，导致 3D 层上的形态不均匀和覆盖不均匀。通过光致发光（PL）测量，研究人员观察到与二维钙钛矿中不同相相关的不同发射峰。通过选择长链配体，特别是与甲脒卤化物结合时，可以最大限度地减少这些问题。值得注意的是，FABr 被证明可以形成稳定的纯相层，而不会出现不需要的卤化物相分离，这是实现均匀钝化的重要发现。图 1a 展示了使用的 2D 配体的化学结构，其中描绘了不同的卤化物和链长度。具有钝化层的PSC层状结构的示意图如图1b所示。PL 光谱（图1c-e）显示不同的卤化物成分如何导致不同的 PL 发射峰，揭示具有较短链或特定卤化物选择的结构中的相分离。DFT 计算（图 1f-h）显示了生成焓，说明了三卤化物组合物特别有效，显示出降低的形成热函和改善的相稳定性。图 1. 用于可扩展太阳能模块的二维钙钛矿相组成工程如原位PL和GIWAXS分析所示（图2a-d），在旋涂过程中，FABr/DABr形成的2D层明显比其他处理更快且更均匀。SEM图像（图2e）显示FABr处理的样品具有更光滑的表面形态，缺陷更少，突出了这种方法在覆盖缺陷方面的关键优势。研究人员得出结论，FABr可以更有效地填充离子空位，从而稳定该层。图2f中的自组装示意图概述了该机制：FABr与DABr结合形成纯相n=2结构，减少表面缺陷并增强3D和2D层之间电荷转移界面的均匀性。AFM和KPFM图像（图3a-d）证实，混合FABr/DABr处理可产生更光滑的表面，潜在波动最小，这意味着更均匀的电子环境。共焦PL映射（图3e）显示，经过处理的薄膜表现出更长的光致发光寿命，晶界处载流子寿命更长。空间电荷限制电流(SCLC)测量（图3f），FABr处理层中的陷阱密度（缺陷位点）显着降低，从而提高了载流子迁移率。最后，LED光照射下的原位PL测量表明，FABr/DABr处理层保持稳定，并更长时间地保持其PL强度，证明纯相n=2二维层对热应力和光子应力具有鲁棒性。图4显示了各种器件尺寸的J-V特性，说明了FABr/DABr处理如何提高光伏性能。用不同钝化剂处理的小型器件的J-V曲线，其中FABr/DABr处理的器件表现出更高的开路电压(VOC)（图4a）。大型器件和微型模块的J-V和EQE曲线（图4b-c），实现25.61%的峰值PCE和随时间推移的稳定效率,大面积器件和微型模块实现了出色的效率，与较小的电池相比，效率损失最小，表明该方法的可扩展性。外量子效率(EQE)测量显示出高且一致的光子到电子转换率。稳定性测试进一步证实了这些设备的耐用性，FABr/DABr改性模块在连续照明超过2000小时后仍保留了约88%的初始效率（图4d-e）。作者概述的狭缝模头印刷工艺（图5）证明了该方法对于大面积PSM的可行性。印刷的20cm×20cm和30cm×30cm模块实现了具有竞争力的效率，并且因缩放而导致的效率下降最小。该工艺通过优化图案层（P1、P2、P3）的激光划片实现了高几何填充因子（~96%）。大型模块（20cm×20cm和30cm×30cm）的J-V曲线，分别实现18.90%和17.59%的效率。总的来说，FABr/DABr处理的2D层的均匀性使其能够一致地应用于大表面积，标志着高效钙钛矿模块的商业化生产迈出了重要一步。本文的研究结果表明，在用长链烷基胺对3D钙钛矿进行后处理时引入FABr可实现均匀、稳定和高效的2D钝化层，从而减轻相分离问题。这种优化的钝化技术提高了光伏效率，降低了缺陷密度，并增强了所得PSM的热稳定性和光子稳定性。该研究强调了这种方法的可扩展性，可以在不同的模块尺寸上实现高效率，并展示商业规模生产的潜力。通过保持结构和形态的均匀性，该处理使钙钛矿太阳能技术更接近市场准备。
