厦门大学&西北工业大学Adv. Sci.: 19.6%效率!高效稳定1D/3D钙钛矿光伏组件

日期:2022-11-18 阅读:566
核心提示:研究亮点:1. 1D钙钛矿咪唑类A位筛选,为低维分子设计提供设计思路。2. 共型生长1D/3D结构抑制横向纵向碘离子迁移。3. 优化模组

研究亮点:

1.   1D钙钛矿咪唑类A位筛选,为低维分子设计提供设计思路。

2.   共型生长1D/3D结构抑制横向纵向碘离子迁移。

3.   优化模组结构,提升钙钛矿电池的效率与稳定性。

一、钙钛矿模组发展的问题与挑战

有机-无机杂化钙钛矿材料由于其优异的光电性能,如高吸收系数、长电荷载流子扩散长度、可调带隙等,在下一代光伏材料中备受关注。虽然钙钛矿太阳能电池(PSC)在光电转换效率(PCE)方面取得了很大的进步,但是其稳定性问题仍然是一个挑战。当PSC 器件在各种环境应力或电场驱动下运行时,会产生材料的快速降解和光伏性能的下降。此外,钙钛矿表面和晶界缺陷引起的非辐射复合也会限制其光伏性能。即使在封装的器件中,钙钛矿结构不稳定的表面和界面发生的不利离子扩散也会严重影响器件的稳定性。特别是对于钙钛矿模组,离子扩散不仅发生在钙钛矿层到表面的垂直扩散,而且发生在子电池之间的互连区域,也称为横向扩散。因此,发展多功能界面调制材料,同时兼顾表面稳定性、缺陷钝化和促进电荷输运是迫切需要的。

二、成果简介

有鉴于此,厦门大学李静教授、尹君副教授以及西北工业大学陈睿豪教授等人报道了一系列新型的苯并咪唑盐,N,N’-二烷基苯并咪唑碘化物,通过表面后处理在的三维(3D) 钙钛矿薄膜表面形成1D/3D结构。这种共形界面调制表明,通过抑制器件或模组件中碘化物的横向和纵向扩散,不仅可以有效地稳定钙钛矿薄膜,确保了优良的工作和环境稳定性,而且还通过精心设计的1D晶体结构提供了优良的电荷传输通道,小面积器件的PCE达到了24.3%。有效面积为18 cm2大面积光伏组件获得了19.6%的效率和优异的长期稳定性。本论文的第一作者包括陈睿豪(西北工业大学)、沈慧(内蒙古大学)以及常青(厦门大学);通讯作者为厦门大学李静教授和尹君副教授。

三、结果与讨论

要点1:1D钙钛矿的设计与分析

如图1所示,首先作者首次合成了共轭N,N’-二烷基苯并咪唑盐,并将其应用于钙钛矿表面。所采用的苯并咪唑盐、N,N- 二甲基苯并咪唑碘化物(me-I)、N,N- 二乙基苯并咪唑碘化物(et-I)、N,N- 二异丙基苯并咪唑碘化物(ipr-I)和N,N- 二己基苯并咪唑碘化物(hexyl-I),考虑电荷传输性能优化结构计算了四种苯并咪唑盐的静电表面电位(ESP) ,研究了分子周围的局域电荷分布。随着连接到N的碳链长度的增加,N+带来的正电荷在表面上表现出更好的均匀性,并将促进电荷转移。但由于其中过长的hexyl+空间结构,可能导致1D Pb-I结构发生严重变形,从而导致整个覆盖层的无序和不规则,不利于表面的有效钝化。而较为规则的iprPbI3,其ipr+分子排列与1D [ PbI6]4-链垂直,有利于电荷转移,因此采用 iprPbI3 1D结构对钙钛矿薄膜进行钝化,以提高相应器件的光伏性能和稳定性。

 

 

图1 一维钙钛矿层的晶体和电子结构研究

要点2:1D/3D的结构与生长分析

为了进一步阐明钙钛矿膜表面1D结构的原位形成过程,利用FACsPbl3的单晶XRD衍射谱来监测其演化过程。如图2所示,以iprPbl3 1D结构为例,利用预合成的FA0.9Cs0.1Pbl3用作3D钙钛矿。采集了不同退火时间下的原位XRD图谱的轮廓图。3D钙钛矿的特征峰分别位于13.99,28.09和31.48°。当退火时间增加到12 min时,获得了与相应的模拟XRD谱图一致1D结构的衍射峰(8.13°)。有趣的是,在退火32 min后,1D/3D结构钙钛矿晶体的黑色与未处理的3D结构相比几乎没有变化。通过进一步在85 °C热条件下总共5 h退火过程中的原位XRD图谱,与在85 ℃、60% RH条件下,3D膜中存在大量的Pbl2或δ相,50 h后1D/3D膜保持原始形貌。高分辨透射电镜(HRTEM)进一步验证了在钙钛矿薄膜上形成的致密和均匀的1D薄膜。

图2 一维/三维钙钛矿结晶度及结构演化分析

要点3:1D/3D的钙钛矿薄膜特性与器件性能

图3 一维/三维结构的特征器件性能

如图3所示,与对照组薄膜相比,均匀改进的荧光在1D/3D薄膜上可以得到较好的分辨率。空间电荷限制电流(SCLC)分析得出了对于1D/3D结构具有更好的钝化效果,通过 Mott-Schottky曲线评估两种器件中的内置电势(Vbi) ,Vbi从基于对照组中的0.90 V 增加到基于1D/3D器件中的1.06 V。1D/3D器件较高的斜率表明钙钛矿/HTL界面的电荷转移得到了显著改善。此外,KPFM测试表明1D层与空穴传输层更匹配。因此,小面积0.12 cm2的器件获得了24.43%的光电转换效率。

要点4:1D/3D的钙钛矿模组的设计与稳定性提升

图4 一维/三维结构的稳定性研究

此外,1D结构还可以有效地防止离子扩散,稳定离子钙钛矿的 Pb-I 骨架,这对光伏性能的提高具有重要意义。在氯苯侵泡50 h后的3D钙钛矿薄膜中观察到明显的粉红色。相比之下,1D/3D 薄膜几乎不变的无色溶液。这表明,与1D/3D 薄膜相比,3D 钙钛矿薄膜的I2释放量更大。此外,老化的1D/3D 薄膜在 XPS 光谱中几乎无Pb0,而在老化后的对照组中观察到明显的 Pb0峰。飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)探测在光老化和高温老化环境下100 h后,3D钙钛矿器件中大量I-离子转移到Spiro-OmetaD层,而对于1D/3D 器件,扩散受到了极大抑制。

图5 光伏组件的性能研究

对于大面积PSC模组的制造,由于子电池的额外横向接触,离子扩散更应该得到解决。因此,钙钛矿模块的钝化过程被设计为在P2刮除之后进行,从而在钙钛矿子电池的表面和侧面都有1D结构共型层。最终,在85 °C 和85%相对湿度条件下,封装的36-cm2面积的1D/3D组件在1000 h后显示出了显著改善,并保留了初始效率的90%,而对照组在660 h后迅速衰减至原始效率的41%。实验结果表明,1D/3D策略在制备稳定的大面积PSC模块方面具有很大的潜力。

四、小结

该项研究采用超稳定的苯并咪唑基一维钙钛矿结构对钙钛矿薄膜进行钝化处理,以提高钙钛矿结构太阳能器件/组件在不同应力条件下的稳定性。利用 N,N’-二烷基苯并咪唑离子进行溶液后处理,可以很容易地获得共形生长的一维层。由于共形一维薄层具有特定的能带结构和电子特性,不仅能够有效地钝化器件的界面缺陷,从而降低器件的开路电压损失,而且能够促进器件的高效电荷传输。这种基于一维结构的新型钝化策略考虑到原位保形生长简单、保形覆盖均匀、界面稳定性好等特点,对于制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池组件具有重要意义。

五、参考文献

RuihaoChen#, Hui Shen#, Qing Chang# et al. Conformal Imidazolium 1D Perovskite Capping Layer Stabilized 3D PerovskiteFilms for Efficient Solar Modules, Advanced Science(2022).

Doi: 10.1002/advs.202204017

http://doi.org/10.1002/advs.202204017

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