陕师大刘生忠《AM》: 熔融盐辅助结晶获得近20%光电转换效率的CsPbI3钙钛矿太阳能电池

【研究背景】

无机卤化物钙钛矿太阳电池因其优异的热稳定性和化学稳定性成为了最具吸引力的新型光伏材料之一。然而，在光电转换效率方面，无机卤化物钙钛矿太阳能电池相较于有机-无机杂化钙钛矿体系仍有较大差距。一方面是材料固有性质限制，另一方面则因为在钙钛矿薄膜制备和操作过程中无法避免会产生缺陷，而这些缺陷会成为非辐射复合中心，有损于器件性能。

【工作介绍】

近日，陕西师范大学赵婉亘，刘生忠课题组等人利用熔盐辅助结晶(MSAC)策略来改善全无机钙钛矿薄膜的晶粒生长。与传统的溶剂退火相比，MSAC通过对流和扩散的方式实现了更快的传质，这有利于前驱体胶体之间的相互作用；另外，熔融盐的引入改变了中间相，降低了钙钛矿晶体的形成能垒，减少了钙钛矿薄膜形成的能量和时间成本。此外，熔盐辅助结晶有助于诱导钙钛矿晶粒的面内生长，抑制孔洞和裂缝的形成，从而形成高质量的钙钛矿薄膜。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Materials上。陕西师范大学博士生张静茹和硕士生房元昆为本文第一作者，陕西师范大学赵婉亘&刘生忠为本文共同通讯作者。

【内容表述】

为了实现高性能钙钛矿太阳能电池，钙钛矿薄膜的质量尤为关键。结晶过程的动态控制是制备高质量钙钛矿薄膜的有效方法。在本研究中，作者选用甲酸铅（C2H2O4Pb）作为熔盐来调控结晶过程。甲酸铅的熔点在190℃附近，低于CsPbI₃钙钛矿薄膜的退火温度，这样能够保证其在钙钛矿薄膜退火过程中维持熔融流动状态。与溶剂传递介质相比，熔盐较低的蒸汽压为晶粒生长提供了长的“反应介质”。同时熔盐的流动性有利于及时补充原料，加快钙钛矿膜的结晶速度。此外，面内传质诱导致密晶粒生长，所制备的薄膜针孔和裂纹更少。

图1 (a) 传统方法与MSAC制备器件的J-V曲线,（b）最近报道的CsPbI₃钙钛矿材料太阳能电池的Voc 损失。

MSAC制备的器件从18.3%提升到19.83%，其提升主要源于V_OC和FF的提高。处理后器件V_OC和FF的增强表明钙钛矿薄膜晶体质量的显著提高，且MSAC制备的器件具有更好的稳定性。所得器件V_OC赤字低至0.53 eV，在该体系中获得了较低的开压损失。

图2 加速的结晶过程和机理示意图。(a)结晶过程中的相转化。(b)传统制备和MSAC制备薄膜的化学反应路径。(c)传统方法和MSAC结晶过程中钙钛矿结晶动力学示意图。

研究发现，熔盐的引入改变了钙钛矿的中间相。由于甲酸铅中的羧基和原料中氨基的氢键相互作用，诱导了δ-CsPbI₃的生成。相比于一维共面结构的原材料，一维共边结构的δ-CsPbI₃转化成三维共角结构的γ-CsPbI₃的能垒较小，加上流动介质的传质作用，诱导了晶粒的面内生长，从而制备了高质量的钙钛矿薄膜。

【结论】

研究人员通过采用熔盐辅助结晶有效控制了CsPbI₃钙钛矿薄膜的结晶，改变了中间相的转化过程，导致器件内陷阱态密度的减少和电荷寿命的延长。该策略提供了一种新颖的薄膜生长设计，可以有效地制备高质量薄膜以实现高的光电转换效率。

Jingru Zhang,Yuankun Fang,Wangen Zhao,Ruijie Han,Jialun Wen,Shengzhong (Frank) Liu, Molten-Salt-Assisted CsPbI3 Perovskite Crystallization for Nearly 20%-Efficiency Solar Cells, Adv. Mater., 2021, DOI:10.1002/adma.202103770

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202103770