陕西师大刘生忠教授团队《Adv. Funct. Mater.》：配体锚定诱导晶体定向生长制备高效铅锡钙钛矿太阳能电池

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窄带隙(≈1.2 eV)的锡铅混合钙钛矿太阳能电池已被证明可以用于全钙钛矿叠层太阳电池中，作为窄带隙底电池从而进一步提高器件光电转换效率。但是，目前电池效率远低于铅基钙钛矿太阳电池，高效稳定铅锡钙钛矿太阳电池的制备仍是一个问题。 近日，陕西师范大学刘生忠团队通过密度泛函理论(DFT)研究发现，具有(100)取向的锡铅钙钛矿会显著降低薄膜的缺陷态密度，更有利于获得高质量的铅锡钙钛矿薄膜，这对提高钙钛矿器件性能十分重要。基于此，研究人员在前驱体溶液中引入了不同链长的烷基二胺盐添加剂去诱导晶体的定向生长。实验发现，在钙钛矿薄膜的生长过程中，首先二胺阳离子通过定向锚定在初始晶核表面促进成核；随后这些初始晶核在晶体生长的过程中起到模板的作用，使得晶粒优先沿着(100)取向进行生长。在这个过程中，二胺阳离子不仅在成核阶段有效地诱导了晶体生长，而且还保留在晶体表面，对钙钛矿薄膜起到钝化的效果。最终，优化后的电池器件实现了20.03%的光电转换效率，并且器件的稳定性得到了提高。该项工作为制备高效稳定的铅锡钙钛矿电池提供了一种可行的策略。 
图1. 不同晶面表面陷阱态的DFT计算结果。(a)-(d)立方FASnI₃模型和(e)-(h)立方MASnI₃模型。虚线为费米能级(E_F)位置。
 
图2. (a) XRD图。(b) XRD图中的不同衍射峰强度比。(c)含/不含ADI的Pb-Sn钙钛矿薄膜表面SEM图和(d) AFM图。 
图3. (a)稳态PL光谱。(b)TA动力学谱。(c)~(f)对照和加入ADI的钙钛矿薄膜的Sn 3d XPS 光谱。 
图4. PDA阳离子在钙钛矿薄膜中的作用。(a) TOF-SIMS深度分析。(b)水接触角测试。(c)对照和加入PDA薄膜的晶体取向示意图。 
图5. Pb-Sn钙钛矿太阳能电池的光伏性能。(a)具有反式平面异质结的器件结构。(b)有/无 ADI的Pb-Sn钙钛矿电池器件的J-V曲线。(c)控制和优化后电池的EQE光谱。(d)最优器件的MPP效率。 
图6. (a)UPS光谱。(b)由UPS光谱计算的能级分布。(c)C-V曲线。(d)TPV曲线。 
图7. 未封装的Pb-Sn钙钛矿太阳能电池在(a)空气和(b) N₂（手套箱）中的稳定性。所有器件的J-V曲线均在空气条件下测量。 刘生忠教授团队，国家级专家，创建了陕西师范大学新能源高等技术研究院、陕西省能源新材料与器件重点实验室和陕西省能源新技术工程实验室，以国际先进材料的发展前沿为导向，以新型光电功能材料与器件研究为主线，是物理、化学、材料、信息、能源、环境等多学科高度交叉融合的研究基地。陕西师范大学新能源高等技术研究院在薄膜材料、太阳能光伏器件、光电薄膜等研究领域已取得了一系列国际领先的研究成果，拥有齐全的钙钛矿太阳电池制备与表征设备。团队在低温制备高效稳定钙钛矿器件方面取得了众多国际领先的研究成果。2014年以来，刘生忠教授团队在钙钛矿领域已经发表，包括Energy Environ. Sci.、Joule、Matter、Adv. Mater.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.等SCI论文200余篇，其中三十多篇论文入选ESI高被引论文和热点论文。授权专利共一百余项。 本文由陕西师范大学刘生忠教授团队提供，特此感谢！ 原文链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202201384

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