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《Advanced Energy Materials(IF>29.698 )》华侨大学材料科学与工程学院 魏展画 教授團隊-非卤化物表面钝化剂抑制钙钛矿太阳能电池界面缺陷,转换效率24.75%实现高效率与稳定性

顶尖团队的选择

重点摘要

  1. 研究团队合成非卤离子盐1-萘甲基铵甲酸盐(NMACOOH),抑制钙钛矿薄膜表面2D钙钛矿的生成。
  2. NMACOOH通过钝化钙钛矿的阳离子空位点,以及钝化Pb0和卤离子空位点,大大抑制了界面无辐射重组。
  3. 钙钛矿太阳能电池实现1.19V开路电压和24.75%转换效率,具备良好的长期稳定性。
(本研究采用光焱科技的设备:SS-PST100R
AM1.5G可变标准光谱模拟光源、太阳能电子效率量测系统)

研究背景

钙钛矿太阳能电池界面发生的无辐射重组是限制器件效率和稳定性的关键问题。当前的表面钝化策略通常采用铵盐卤化物,但其高表面活性会在工作条件下导致2D钙钛矿的形成,限制了钝化效果和电荷传输。

研究成果

研究团队合成1-萘甲基铵甲酸盐(NMACOOH)用于钙钛矿薄膜的表面钝化处理。与传统的1-萘甲基铵碘化物不同,NMACOOH处理抑制了2D钙钛矿的生成,并在钙钛矿表面形成了热稳定的PbI2-NMACOOH配合物。表征结果显示,NMA+钝化了3D钙钛矿的阳离子空位,而HCOO-钝化了Pb0和卤离子空位。因此,钙钛矿太阳能电池的无辐射重组明显降低,实现1.19V开路电压。最终获得24.75%转换效率的钙钛矿太阳能电池,具有良好的长期稳定性(储存1800小时效率保持98%)。此外,NMACOOH钝化的器件在连续一太阳光照射条件下工作658小时后,效率保持83%。

研究方法

  1. 研究团队设计合成NMACOOH作为钙钛矿表面钝化剂。
  2. 将钙钛矿薄膜旋涂在ZnO电极上,然后浸渍NMACOOH溶液进行表面修饰。
  3. XPS、FTIR等表征了NMACOOH处理前后钙钛矿薄膜的化学结构和组成变化。
  4. 构建钙钛矿太阳能电池器件,测量电流密度-电压曲线获得光伏参数。
  5. 利用热激发发光谱、穿隧显微等研究界面陷阱态密度变化。
  6. 通过长时间储存和光照测试考察了钙钛矿太阳能电池的长期稳定性。

结论

本研究合成NMACOOH作为钙钛矿薄膜的表面钝化剂,抑制了2D钙钛矿的生长,通过钝化钙钛矿缺陷显著降低了界面缺陷态密度。实现了1.19V开路电压和24.75%转换效率的钙钛矿太阳能电池,具有良好的长期稳定性。该研究为构建高性能钙钛矿太阳能电池提供了新思路。

图S3. a) 对照组、NMAI处理和NMACOOH处理的钙钛矿薄膜的XRD图样。插入图显示2θ为12.4° 至13° 区域的放大视图。b) a)中2θ为3°至10°区域的放大视图。c) 对照组、NMAI处理和NMACOOH处理的钙钛矿薄膜的GIWAXS图样。d) c)中q为0.2 Å 至0.8 Å 区域的放大视图。e) NMAI处理的钙钛矿薄膜、(NMA)2PbI4薄膜和NMAI盐的XRD图样。f) e)中2θ为3°至12°区域的放大视图。

图S7. 通过变化NMAI与PbI2的摩尔比制备的薄膜XRD图样。

图S9. a) 从未处理和NMACOOH处理的钙钛矿薄膜GIWAXS图样中q=0.415°环上提取的随着方位角(Azi.)变化的直方图数据。b) 从未处理和NMAI处理的钙钛矿薄膜GIWAXS图样中q=0.450°环上提取的随着方位角(Azi.)变化的直方图数据。

图S11. 未处理和NMAI处理钙钛矿薄膜的Pb 4f XPS谱。

图S13. 未处理、NMACOOH处理和NMAI处理的冠军器件的J-V曲线。

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