用户前沿丨最新Nature: 26.1%效率！二维类钙钛矿稳定钙钛矿太阳电池

2024-07-10 17:30:07 83阅读次数

扫码分享

7月8日，国际顶级学术期刊Nature在线发表了美国西北大学Kanatzidis、Sargent和Marks团队题为“Two-dimensional Perovskitoids Enhance Stability in Perovskite Solar Cells”的研究论文。

近年来，钙钛矿太阳电池在性能上取得了显著进展，单结小面积（<1 cm²）器件的光电转换效率已超过26%。这一提升主要归因于界面钝化技术的改进，尤其是应用有机铵盐或者二维（2D）钙钛矿作为表面钝化层。然而，这些钝化层中的活性阳离子在热驱动下会破坏钙钛矿结构中脆弱的角共享八面体连接，并在2D和三维（3D）钙钛矿层之间进行迁移，严重限制了器件效率和稳定性的进一步发展。

针对钙钛矿器件中界面离子迁移的问题，该团队创新地提出了一种利用2D“类钙钛矿”界面钝化的策略。利用同时含有角、边、面共享的类钙钛矿材料来构建界面钝化层，这种稳定的特殊结构有效地阻止了界面离子迁移现象。研究团队合成了一系列类钙钛矿材料，通过调节类钙钛矿材料在钙钛矿薄膜表面的维度和取向，实现了载流子在异质结构内部的高效传输。所开发的类钙钛矿材料中，2D (A6BfP)₈Pb₇I₂₂有效地钝化了钙钛矿表面缺陷，提升了大面积钙钛矿薄膜的均匀性。基于这种“类钙钛矿/钙钛矿异质结”的钙钛矿太阳电池（>1 cm²）实现了24.6%的认证准稳态光电转换效率，并展示出在85℃下空气环境中1250小时的稳定运行。

该研究表明，类钙钛矿材料在表面钝化方面展现出巨大的潜力，有望推动钙钛矿光电器件的大规模应用。

美国西北大学博士后研究员刘成、杨熠、陈昊、Ioannis Spanopoulos、Abdulaziz S. R. Bati为共同第一作者。美国西北大学郑丁、Tobin J. Marks、Antonio Facchetti、Edward H. Sargent、Mercouri G. Kanatzidis为共同通讯作者。

图1 | 类钙钛矿材料的设计与合成。a. N-氨基己基-邻苯二甲酰亚胺盐酸盐(A6PI)、N-氨基己基-苯[f]-邻苯二甲酰亚胺盐酸盐(A6BfPI)、N-氨基己基-苯[e]-邻苯二甲酰亚胺盐酸盐(A6BePI)和N-氨基己基-萘二甲酰亚胺盐酸盐(A6NI)的分子结构。b. (A6P)PbI₃、(A6BfP)PbI₃、(A6BeP)PbI₃和(A6N)PbI₃单晶的侧视图。c. (A6BfP)₈Sn₇I₂₂的晶体结构。碳、氮、氧、铅、锡和碘分别用黑色、蓝色、红色、灰色、紫色和紫色表示。为视觉清晰，省略了氢原子。

图2 | 类钙钛矿材料/钙钛矿异质结构的构建。a. (A6P)PbI₃、(A6BfP)₈Pb₇I₂₂、A6BePI和A6NI表面钝化的钙钛矿样品的XRD图谱（上），以及(A6P)PbI₃、(A6BfP)₈Pb₇I₂₂、(A6BeP)PbI₃和(A6N)PbI₃的理论XRD图谱（下）。b. 不同入射角下的一维（1D）(A6N)PbI₃/3D钙钛矿和2D (A6BfP)₈Pb₇I₂₂/3D钙钛矿异质结薄膜的GIWAXS图谱。c. 1D (A6N)PbI₃和2D (A6BfP)₈Pb₇I₂₂结构在3D钙钛矿薄膜上的结晶取向示意图。

图3 | 2D类钙钛矿/3D钙钛矿异质结的光电特性。a. 高分辨率Pb 4f XPS峰和b. 由非2D配体、2D钙钛矿(PEA)₂PbI₄和2D类钙钛矿材料(A6BfP)₈Pb₇I₂₂钝化的3D钙钛矿薄膜的PL强度统计，σ为标准偏差。c. 不同钝化策略下的器件效率统计。d. 在85% RH和85°C下(PEA)₂PbI₄和(A6BfP)₈Pb₇I₂₂薄膜的时间依赖XRD图谱。e. 在85% RH和85°C下2D (PEA)₂PbI₄和2D (A6BfP)₈Pb₇I₂₂钝化的3D钙钛矿薄膜的时间依赖XRD图谱。f. 在85% RH和85°C下老化3小时前后，2D (PEA)₂PbI₄/3D钙钛矿和2D (A6BfP)₈Pb₇I₂₂/3D钙钛矿的飞行时间二次离子质谱分析。

图4 | 钙钛矿太阳电池的光伏性能和稳定性。a. 钙钛矿太阳电池的截面SEM图像。b. 最高效小面积器件的J-V特性。c. 基于2D类钙钛矿材料/3D钙钛矿的器件的EQE曲线和积分电流密度。d. 最高效大面积（>1 cm²）器件的J-V曲线。e. Newport认证的基于(A6BfP)₈Pb₇I₂₂钝化的1 cm²器件的渐进式准稳态J-V曲线。f. 孔径面积为28 cm²的钙钛矿光伏组件的J-V曲线和稳态输出性能。g. 在85% RH和85°C下未封装小面积器件稳定性。h. 在暴露空气，100 mW cm^-2的连续光照，和85°C持续加热条件下的1 cm²器件的最大功率点追踪。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07764-8

仪器推荐