在钙钛矿太阳能电池中,阳离子和阴离子的混合物可以用来调节带隙和增加稳定性,但这些混合物容易产生不必要的分离,从而降低性能,这限制了器件的寿命。

2022年11月18日,北京理工大学陈棋教授团队在Science杂志在线发表题为“Initializing film homogeneity to retard phase segregation for stable perovskite solar cells”的研究论文,该研究通过在胶体膜前驱体中形成铯和甲酰胺阳离子的初始均匀分布,可以减缓分离。在单卤和混合卤钙钛矿的薄膜加工和装置操作过程中,这种添加剂硒苯保持了均匀性。碘基太阳能电池在45°C光照3000小时后仍能保持90%的效率。

在这项研究中,研究人员采用谢林的偏析模型来研究单个阳离子的迁移,发现初始膜的不均匀性加速了材料的降解。制备了钙钛矿膜(FA1-xCsxPbI3;其中FA为甲酰胺),通过添加硒苯,导致均匀的阳离子分布,阻碍了材料加工和设备运行中的阳离子聚集。在1个太阳光照下,在3190小时的最大功率点后,合成的装置取得了提高的效率,并保持了其初始效率的91%,并且初始均质FACsPb(Br0.13I0.87)3吸收剂延长了器件的使用寿命。

从合成的晶体结构来看,a相FAxCs1-xPbI3 (FACs)钙钛矿具有最佳的带隙和较高的热稳定性,具有理想的Goldschmidt容差因子。然而,报道的基于FACs钙钛矿吸收剂的器件寿命有限,这主要是由于相分离导致的材料降解。因此,研究人员展示了FA0.9Cs0.1PbI3钙钛矿膜的二维(2D)光致发光(PL)由波长、强度和半最大值处的全宽度(FWHM)映射。发射光谱显示所选区域之间的峰值变异性。

阳离子偏析动力学的谢林模型模拟(图源自Science )

对于混合卤化物钙钛矿,主要的器件问题是光稳定性差。研究人员制备了带隙为1.66 eV的具有不同初始卤化物偏析的FACsPb(Br0.13I0.87)3。比较了吸收膜上的二维TOF-SIMS映射,这些吸收膜在充满N2的手套箱中,在45°±5°C下连续光照24小时。根据其他地方报道的方法制备的初始偏析不严重的薄膜保持了均匀的I−分布。然而,对于初始偏析较重的薄膜,在合成薄膜上发现了较大的I−缺乏区域(~ 5mm)。

此外,研究人员在薄膜在光照下老化时进行了原位PL映射。与阳离子偏析类似,初始卤化物分布均匀的薄膜在连续光照下表现出更好的稳定性。相比之下,初始卤化物偏析较重的薄膜在PL映射光谱上有明显变化。分离情况I到K (ISP = 28%)的衰减率为0.040 / 100步,是初始均质膜0.008 / 100步衰减率(ISP = 3%)的4倍多。

进一步基于这两种吸收剂制作了器件,其PCEs分别为18.78%(均质膜)和17.93%。初始卤化物分布均匀的混合卤化物装置在N2环境下45°±5°C的MPP测试中取得了令人满意的运行稳定性,在340小时(参考装置为168小时)后保持了80%的初始PCE。到目前为止,该稳定性结果是基于混合卤化物钙钛矿的最佳设备运行寿命(T80)之一。此外,在85°±5°C的高温下,改善了均匀性的混合卤化物钙钛矿器件获得了80小时的T80寿命。

总的来说,该研究已经证明,谢林模型是连接钙钛矿在原子尺度的理论分析和宏观尺度的相分离和膜降解观察的一个强大的工具。从模拟和实验结果来看,初始膜的均匀性在元素分布方面对膜和器件的稳定性有很大的影响。得益于含硒苯的前驱体的化学均匀薄膜,该研究开发了基于混合钙钛矿的高性能器件,即使在高温下也能在MPP测试中实现长期稳定性。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn314