澳门大学邢贵川教授与南科大程春教授《Adv. Mater.》：发展一种反溶剂工程来提升反式钙钛矿电池的性能

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太阳能是一种清洁、可再生能源。发展太阳能电池有利于克服能源危机和全球变暖。过去这些年，反式钙钛矿太阳能电池由于成本低廉、制备简单，有希望发展为下一代太阳能电池。然而，他们的效率仍有待提高。主要有两方面的原因，一是钙钛矿薄膜品质不够好，二是光生电荷不能被有效地分离和提取。

近期，澳门大学邢贵川教授课题组与南方科技大学程春教授课题组合作发展了一种反溶剂工程来提升反式钙钛矿电池的性能，并研究了其机理。在这项工作中，一种n型半导体1,3,5-Tris（1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基）苯（TPBi），被加入反溶剂中调节钙钛矿薄膜的生长和电荷传输。TPBi促进钙钛矿晶体沿(100)方向生长，结晶性增强，缺陷态密度降低。此外，TPBi主要分布于钙钛矿薄膜中靠近上表面的区域，可以阻止空穴往上表面传输，从而促进电荷分离。由于这些优异的特性，TPBi的引入使得反式钙钛矿太阳能电池的开路电压得到大幅提升，最高器件效率达到21.79%，在空气中存放1000小时以后还能保持初始效率的92%。相关成果以“Antisolvent Engineering to Optimize Grain Crystallinity and Hole-Blocking Capability of Perovskite Films for High-Performance Photovoltaics”为题发表在《Advanced Materials》, DOI: 10.1002/adma.202102816。

 

图1. (a)钙钛矿和TPBi的结构; (b)引入不同量TPBi的钙钛矿薄膜的XRD曲线; (c)不引入TPBi和 (d)引入1mg/ml TPBi的钙钛矿薄膜的表面SEM图; (e)不引入TPBi和 (f)引入1mg/ml TPBi的钙钛矿薄膜的表面AFM图; (g)不引入TPBi和引入1mg/ml TPBi的钙钛矿薄膜的XPS谱图。

图2. (a~b)不同钙钛矿薄膜的UPS谱图; (c)不同钙钛矿薄膜的紫外-可见吸收光谱; (d)TPBi对钙钛矿薄膜表面能级的影响; (e~f)不同钙钛矿薄膜的KPFM图。

 

图3. (a)反式钙钛矿电池器件结构; (b)引用不同量TPBi钙钛矿电池的J-V曲线; (c~d)不引入TPBi和引入1mg/ml TPBi的钙钛矿电池的稳定输出(c)和长期稳定性(d); (e~f) 引用不同量TPBi的钙钛矿电池的开路电压(e)和效率(f)的分布。

图4. 基于Cs_0.05FA_0.88MA_0.07PbI_2.79Br_0.21钙钛矿最优反式器件的(a)J-V曲线，(b)IPCE谱，(c)稳定输出曲线和(d)稳定性测试曲线。

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https://doi.org/10.1002/adma.202102816

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