南京航空航天大学张伟&赵晓明&郭万林最新Angew：表面反应诱导的压缩应变用于稳定无机钙钛矿太阳能电池
文摘
科学
2024-08-30 20:52
北京
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基于铯的无机钙钛矿因其出色的热稳定性和光稳定性，已成为钙钛矿太阳能电池（PSCs）中具有潜力的光捕获材料。然而，其相不稳定性仍是商业化道路上的障碍。南京航空航天大学张伟&赵晓明&郭万林研究团队报告了一种简便有效的策略，通过原位表面反应来调节表面压缩应变，从而稳定CsPbI3钙钛矿。使用分子构型与CsPbI3晶胞晶格参数的整数倍紧密匹配的螯合配体，在CsPbI3表面诱导压缩应变。化学键合和应变调制协同作用，不仅钝化了薄膜缺陷，还抑制了钙钛矿相的降解，从而显著提高了无机钙钛矿的本征稳定性。因此，在0.16平方厘米的实验室规模设备和25.3平方厘米的太阳能电池模块中，分别实现了21.0%和18.6%的功率转换效率（PCE）。
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钙钛矿表面反应的工作机制如图1a所示。研究团队使用螯合配体4,4'-二吡啶基-N,N'-二氧化物（DPDO）处理预成型的CsPbI3薄膜，导致表面重构为强键合的Pb(II)杂化配位聚合物(DPDO)Pb2I4。研究团队提出，DPDO可以同时在两个相邻位点与Pb原子形成强Pb-O键。这种强Pb-O键影响钙钛矿结构，限制晶格的振动，从而增强其抵抗外部应力的能力。有趣的是，两个锚定位点之间的距离接近晶胞晶格参数的长度（或其整数倍），从而产生了观察到的压缩应变。![]()
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图2a展示了基于对照和目标样品的最佳光电转换器件的电流密度-电压（J-V）特性曲线。经过表面反应后，最佳目标器件展现出增强的开路电压（VOC）为1.22 V，可比较的短路电流密度（JSC）为21.0 mA cm-2，以及改进的填充因子（FF）为0.82，从而实现了更高的光电转换效率（PCE）为21.0%。
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为了理解性能提升的原因，团队测量了器件的开路电压（VOC）随光照强度的变化，以研究器件工作过程中的复合机制（图3a）。器件中理想因子从1到2的转变表明了主要损失机制之间的相互作用，即辐射复合（理想情况，带间跃迁）和陷阱辅助复合之间的竞争关系。对照和目标器件的理想因子分别估算为1.70和1.36。这表明由于本征缺陷密度的降低，由缺陷介导的复合过程受到了显著抑制。研究团队采用仅电子器件进行了空间电荷限制电流（SCLC）分析，以量化缺陷密度（图3b）。钙钛矿薄膜的陷阱密度与填充所有陷阱所需的电压（即陷阱填充限制电压，VTFL）呈线性关系。使用以下方程和VTFL来确定陷阱态密度对照器件的VTFL值为0.49 V，目标器件为0.21 V，分别对应于9.87 × 10¹⁵ cm⁻³和4.23 × 10¹⁵ cm⁻³的陷阱密度。这些分析表明，经过表面反应后，CsPbI3薄膜的表面缺陷减少，降低了载流子在复合中心的捕获概率，从而延长了载流子寿命。PL测量结果也证明了这一点。![]()
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经过DPDO处理的钙钛矿薄膜具有较低的缺陷密度，抑制了表面非辐射复合，从而提高了相应器件的效率。PSCs具有增强的热稳定性和操作稳定性；这些设备在潮湿-热测试（即在85℃和85%相对湿度的空气中）2000小时后，仍保留超过95%的初始PCE，并且在运行2000小时后仍保持99%的初始PCE，这是迄今为止报道的最稳定的无机PSCs之一。Surface Reaction Induced Compressive Strain for Stable Inorganic Perovskite Solar Cellshttps://doi.org/10.1002/ange.202410721
