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2022 Adv. Funct. Mater.:透過控制钙钛矿结晶动力学來管理DJ相准二维钙钛矿薄膜的晶体取向和结晶度

标题 管理相取向和结晶度

第一作者:陈乙郡/麦耀华教授课题组

本文亮点

  提出一种基于溶剂工程调控MA基DJ相准二维钙钛矿薄膜的晶体取向和结晶度的方法,利用真空萃取溶剂辅助结晶,有效的延缓了钙钛矿结晶动力学,得到了结晶性高、垂直取向,梯度相分布的DJ相准二维钙钛矿薄膜。这有利于器件中载流子传输,从而提高器件性能。在活性层面积为0.09 cm2的小面积BDA(MA)4Pb5I16钙钛矿太阳能电池中取得了16.29%的光电转换效率,短路电流提升至17.10 mA cm-2,开路电压提高到1.21 V。

研究动机

  尽管有机-无机金属卤化物PSCs的效率已达到25%以上的高水平,但三维钙钛矿在水分、热和光应力下的不稳定性仍然是其商业应用的主要障碍。近年来,具有结构多样性、可调的光电性能和优越的环境稳定性的2D层状钙钛矿可作为3D钙钛矿的替代品,成为前途一片大好的光伏材料。

  由于2D钙钛矿中的大有机阳离子是绝缘的,所以平行于衬底的晶体取向将阻碍层间的电荷传输。因此2D钙钛矿器件获得高性能的关键是获得晶体取向垂直于衬底的二维金属卤化物层,从而实现高效的电荷传输。然而,由溶液加工而成的二维层状钙钛矿通常结晶度低,倾向于随机或平面内的择优取向,导致电荷在钙钛矿层中的传输较差。此外,以往构建高效DJ相层状PSCs的策略都是基于旋涂工艺,既不能扩展,也不能转移到可扩展的涂层生产线上,阻碍了钙钛矿技术的大规模应用。因此在这项工作中,我们开发了一个可扩展的工艺来沉积高质量的、晶体取向垂直排列的DJ相层状钙钛矿薄膜。

本文所用仪器

  • 量子效率测试仪 Enlitech QE-R

研究成果说明

  通过分析三种溶剂物理性质的差异和溶剂与有机大阳离子之间的相互作用引起的结晶动力学,我们对成膜机理作出了合理的解释。最终,由于在垂直方向上高效的电荷传输使得(BDA)(MA)4Pb5I16器件短路电流密度达到了17.09 mA cm-2,并具有1.21 V的高电压和0.79的填充因子,器件的效率为16.29%,这是也是目前利用可扩展工艺制备低维PSCs中最高的效率。此外,与基于DMF作为单一溶剂或二元溶剂DMF:DMSO制备的器件相比,三元溶剂制备的钙钛矿器件表现出优越的可重复性和稳定性。

晶体取向随机且均匀的DJ钙钛矿示意图相分布
由三种溶剂系统处理的DJ层状PSC的J-V曲线
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通讯作者简介

麦耀华:2006年获南开大学博士学位。随后成为德国乌得勒支大学的博士后研究员。2008年,与人共同创办了保定天威太阳能薄膜有限公司,这是一家薄膜硅光伏组件制造商,年生产能力为75兆瓦,并担任首席技术官。2013年加入河北大学,任正教授。现任暨南大学新能源技术研究所所长、教授。主要从事薄膜和硅碳基光伏材料和器件的研究

郭飞:2015年获得德国埃尔朗根-纽伦堡大学材料科学博士学位。在Christoph J. Brabec教授团队进行了一年的博士后培训后,于2017年加入暨南大学新能源技术研究所。目前主要研究方向为基于钙钛矿和有机半导体的印刷光电器件。

本文关键词:结晶动力学、crystallization kinetics、二维钙钛矿、2D Perovskite、量子效率、Quantum Efficiency

原文:https://doi.org/10.1002/adfm.202112146

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