Nature Energy：双层互扩散，转换效率和稳定性兼得！

【研究简介】

高性能双钙钛矿串联太阳能电池需要高效且稳定的低带隙钙钛矿子电池。先进的低带隙混合Sn-Pb钙钛矿太阳能电池具有高的光电转换效率或者改善的稳定性，但不能兼得。为此，美国托莱多大学鄢炎发教授和宋肇宁助理教授报告了两步双层互扩散生长过程，可以同时满足FA基低带隙混合Sn-Pb碘化物钙钛矿太阳能电池的这两个要求。双层互扩散生长形成仅含有10 mol％挥发性MA的高质量大晶粒钙钛矿薄膜。此外，使用一维吡咯烷鎓钙钛矿钝化钙钛矿膜并改善结质量，这使钙钛矿膜的带隙为1.28 eV，载流子寿命为1.1 μs，器件开路电压为0.865 V。AM 1.5G光照下的低带隙钙钛矿太阳能电池光电转换效率达到20.4％。更重要的是，在连续1个太阳光照射450h之后，封装器件可以保持其初始效率的92％。

【研究内容】

FA基Sn-Pb钙钛矿的双层互扩散生长（BIG）

BIG过程如图1a所示，SnI₂/PbI₂/MASCN前驱体溶液首先旋涂在衬底上，随后旋涂FAI/IPA溶液形成双层前驱膜。在50℃的低温下进行相互扩散，以促进FA/MA阳离子的交换，从而使双层结合并完成前驱体到钙钛矿相的转化。最终退火温度为120℃，从而提供了足够的热能来促进晶粒生长并消除有机残留物。

图1: 混合Sn-Pb钙钛矿薄膜的BIG过程

MA浓度对薄膜热稳定的影响

为了消除迟滞影响，5 mol% CsI加入到前驱体溶液中。根据¹H NMR的结果，BIG过程的混合Sn-Pb钙钛矿的组分为FA_0.85MA_0.1Cs_0.05Sn_0.5Pb_0.5I₃（图2a）。一步法(FASnI₃)_0.6(MAPbI₃)_0.4薄膜在〜68℃的低温下释放MA和HI气体，并随着温度的升高而变得更加明显（图2b）。相比之下，BIG膜显示了大大改善的热稳定性，MA和FA在〜125℃时释放（图2c）。TOF–SIMS测量结果表明，Sn，Pb，I和FA在整个膜厚中几乎是恒定的，表明这些元素的分布均匀。而MA浓度在表面区域比在薄膜主体相对较高。表面的MA离子更容易因热和光的应力而分解，这会降低PSC的性能（图2e）。因此，需要一种钝化BIG混合Sn-Pb钙钛矿薄膜表面。

图2: BIG混合Sn-Pb钙钛矿膜的组成和降解

1D吡咯烷钙钛矿进行表面钝化

引入一维PySn_xPb_1–xI₃钙钛矿以钝化BIG钙钛矿薄膜的表面和晶界。掺入最佳比例（1.5 mol％）的PySCN可增强光致发光（PL）强度，并将平均载流子寿命从670 ns增加到1.1μs（图3a）。KPFM结果表明，在混合的Sn–Pb钙钛矿吸收层表面上形成一维PySn_xPb_1–xI₃钙钛矿也有利地提高结质量。在没有PySCN的情况下，除了钙钛矿/ETL交界处的主峰外，在通过各种偏压测量的电场差异曲线中，在HTL/钙钛矿交界处还看到一个小峰（图3b）。然而，当PySCN的掺入量为1.5 mol％时，HTL/钙钛矿结的峰消失了，仅在钙钛矿/ ETL结处留下了峰（图3c）。

图3: Sn-Pb混合钙钛矿薄膜的1D PySn_xPb_1-xI₃钝化

单结和串联PSC的性能和稳定性

掺有1.5 mol％-PySCN的FA_0.85MA_0.1Cs_0.05Sn_0.5Pb_0.5I₃钙钛矿作为吸收层制备了单结混合Sn-Pb PSC。最佳器件PCE可达20.4%，并具有良好的重复性（图4a-b）。封装的FA_0.85MA_0.1Cs_0.05Sn_0.5Pb_0.5I₃电池在连续一个阳光照射下最大功率点（MPP）跟踪450小时后仍保持其原始效率的92％（图4g）。以1.28 eV的BIG钙钛矿电池作为底电池，1.73 eV的钙钛矿电池作为顶电池构成2端子（2T）串联钙钛矿电池（图2d），其PCE可达23.3%（图2e）。封装的2-T钙钛矿串联太阳能电池在1个太阳光照射下MMP跟踪超过350小时后，保留了其初始PCE的85％。

图4：单结和串联PSC

Li, C., Song, Z., Chen, C. et al. Low-bandgap mixed tin–lead iodide perovskites with reduced methylammonium for simultaneous enhancement of solar cell efficiency and stability. Nat Energy, 2020, DOI:10.1038/s41560-020-00692-7