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华侨大学吴季怀课题组:吡啶碘盐钝化界面助力高效率钙钛矿太阳能电池

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引言


钙钛矿太阳能电池由于其制作工艺简单、成本低、光电性能优异,成为光伏领域的研究热点。过去十年,钙钛矿太阳能电池发展迅猛,目前最高效率达到25.5%。但是,钙钛矿太阳能电池的效率依旧低于理论值,并且稳定性低。溶液加工和退火过程使得钙钛矿多晶薄膜产生多种缺陷,不仅引起载流子非辐射复合造成开路电压损失,还会引发钙钛矿分解降低器件稳定性。相比于体相,钙钛矿缺陷主要分布在界面上。因此,通过钝化界面缺陷制备高效率、高稳定性钙钛矿太阳能电池具有重要研究意义。

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成果展示

近期,华侨大学吴季怀教授课题组采用合成的吡啶碘盐(PyI)来钝化三元钙钛矿[Cs0.05(MA0.17FA0.83)0.95Pb(I0.83Br0.17)3]的界面缺陷,获得高效率、高稳定性的平面结构钙钛矿太阳能电池。吡啶碘盐在异丙醇溶液中解离成阳离子(Py+)和阴离子(I-),旋涂于退火后的钙钛矿晶体界面上发生反应,可以同时钝化钙钛矿表面带正电的缺陷和带负电的缺陷。他们还采用只能钝化负电性缺陷的路易斯碱——吡啶(Py)作为钝化剂进行比较。经过实验优化,吡啶碘盐(PyI)钝化后的钙钛矿界面缺陷态密度大大降低,器件最优效率为21.42%,磁滞效应几乎消除,与此同时,器件稳定性明显提高。相比于此,空白组钙钛矿光伏器件最高效率仅为18.83%,而吡啶(Py)钝化的器件效率仅提升到20.37%。

该论文“Surface passivation using pyridinium iodide for highly efficient planar perovskite solar cells”发表在Journal of Energy Chemistry 期刊上,第一作者为华侨大学博士生杜怡恬

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图文导读

研究者使用吡啶碘盐(PyI)钝化钙钛矿太阳能电池:(1)将预先合成的吡啶碘盐溶解在异丙醇溶液中;(2)将退火后的钙钛矿薄膜冷却至室温;(3)将吡啶碘盐溶液旋涂在钙钛矿晶体薄膜上,并立刻放置于100 ℃加热台上退火10分钟。吡啶(Py)钝化采用同样的方法。

图1. 原理说明(a)器件结构示意图,(b)钝化机理示意图,(c)Pb 4f和(d)C 1s XPS精细谱图。

钙钛矿退火过程中碘甲胺(MAI)容易挥发,从而在钙钛矿界面和晶界处形成大量的MA+和I-空位,Py+和I-可以分别钝化负电性和正电性缺陷,如图1(b)。PyI/Py钝化界面后,钙钛矿表面形貌发生改变,并且表面粗糙度得到改善(图2)。

图2. 形貌表征(a)空白组(b)PyI钝化组(c)Py钝化组SEM图;
(c)空白组(d)PyI钝化组(e)Py钝化组AFM图。
PyI钝化后的器件最高效率为21.42%(开路电压:1.187 V),Py钝化后的为20.37%,空白组器件仅达到18.83%。他们通过空间电荷限制电流(SCLC)测试表征器件的缺陷态密度,证明PyI是优异的界面缺陷钝化剂。在稳定性测试中,PyI钝化器件具有最佳稳定性。

图3. 器件性能及部分电化学表征(a)J-V效率;(b)稳定性;(c)空白组和(d)PyI钝化组缺陷态表征。

综上所述,这项工作通过简单的界面处理,使用两性离子分子吡啶碘盐(PyI)有效钝化了钙钛矿表面的缺陷,提高了钙钛矿太阳能电池器件的效率和稳定性。

文章信息

Surface passivation using pyridinium iodide for highly efficient planar perovskite solar cells.


Yitian Du, Jihuai Wu, Xinpeng Zhang, Qianjin Zhu, Mingjing Zhang, Xuping Liu, Yu Zou, Shibo Wang, Weihai Sun.

Journal of Energy Chemistry, 2021  52:84-91.

DOI: 10.1016/j.jechem.2020.04.049.


作者信息

吴季怀:华侨大学教授,博士生导师。现任环境友好功能材料教育部工程研究中心主任、福建省光电功能材料重点实验室主任、华侨大学材料物理化学研究所所长,主要研究领域包括染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、光催化纳米插层材料、超级电容器等光电材料和器件。在相关领域取得显著的研究成果,是Clarivate交叉学科全球高被引科学家,Elsevier材料学科中国高被引学者,RSC综合化学类Top 1%中国


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