首頁    科普教學    ?武漢理工大學:剛發Nature Energy,又發Science!|能源學人
2021-08-14

?武漢理工大學:剛發Nature Energy,又發Science!|能源學人

liuqiwan ? ? 太陽能電池, 鈣鈦礦 ? 閱讀 213

?武漢理工大學:剛發Nature Energy,又發Science!
?武漢理工大學:剛發Nature Energy,又發Science!
第一作者:Tongle Bu
通訊作者:黃福志
通訊單位:武漢理工大學
鈣鈦礦太陽能電池PSC可利用低成本的溶液工藝進行制造,這為未來的商業化提供了廣闊的前景。然而,可擴展性和穩定性問題阻礙了它們的產業化。制造大面積PSC的最重要先決條件是沉積高質量的鈣鈦礦薄膜。
經典的MAPbI3鈣鈦礦在高溫或光照下表現出較差的穩定性;相比而言,不含MA的鈣鈦礦,例如FAPbI3或(FACs)PbI3由于較高的相變溫度,具有良好的熱穩定性。此外,FAPbI3的較窄光學帶隙可以實現更高的器件效率。然而,FA基鈣鈦礦的成核和晶體生長更難控制,因此難以生長高質量、大面積的薄膜。
為此,武漢理工大學黃福志團隊開發了一種以鹵化鉛為模板的結晶策略來制備致密無MA的鈣鈦礦薄膜,以制造無溶劑和環境空氣印刷的高性能鈣鈦礦電池模組。獲得高質量、大面積FA基鈣鈦礦膜的關鍵是形成穩定的PbI2?NMP加成物,以完全抑制溶劑配位鈣鈦礦中間復合物的形成,然后該復合物與嵌入的FAI/CsI進行原位反應。
此外,該工藝降低了高溫α-相鈣鈦礦的生成能,甚至在室溫下即可獲得α-相FA0.83Cs0.17PbI3。通過KPF6對鈣鈦礦膜進行進一步鈍化處理,得到了無遲滯的高性能PSC,效率為23.35%,并顯著提高了熱穩定性和光穩定性。最終,利用該策略實現了高質量大面積鈣鈦礦薄膜的凹版印刷。相應的太陽能微型組件在17.1 cm2和65.0 cm2上分別獲得了20.42%和19.54%的效率。
?武漢理工大學:剛發Nature Energy,又發Science!
圖1 無MA鈣鈦礦的成核和結晶
溶于DMF的FA0.83Cs0.17PbI3鈣鈦礦在完全干燥后,會有枝晶、大孔和粗糙膜生成,(圖 1Ai)。在初始階段,形成溶劑配位鈣鈦礦中間相Cs2Pb3I8?4DMF和FA2Pb3I8?4DMF,然后轉變為δ-(FACs)PbI3,最終薄膜中主要存在FA2Pb3I8?4DMF和δ-(FACs)PbI3(圖1Bi)。盡管DMF中的鈣鈦礦形成中間溶劑配位物,但在自然干燥過程中成核率仍然太低。為了加快成核速率,以3000 rpm的速度旋轉以快速去除前驅體溶液中的溶劑,形成了一些大面積的密集區,隨機分布著幾根枝晶(圖 1Ci)。這表明通過形成中間溶劑配位物的方法很難改變FA鈣鈦礦的成核動力學。在最終的薄膜中主要相為δ-(FACs)PbI3(圖 1Di)。
研究人員發現NMP可以形成強大的PbI2?NMP加合物,如果PbI2?NMP可以保留在鈣鈦礦前驅體溶液中,那么成核將由PbI2?NMP加合物控制。為此,他們將摩爾比為1:1的NMP和PbI2加到FA0.83Cs0.17PbI3/DMF溶液中,發現FA2Pb3I8?4DMF的初始強峰變弱,后出現的PbI2?NMP峰變強,最終形成由FA2Pb3I8?4DMF和PbI2?NMP組成的薄膜(圖1 Bii)。初始膜中存在兩種結構:層狀結構中密集堆積的粒子和FA2Pb3I8?4DMF枝晶。在3000 rpm轉速下將前驅體溶液旋涂成膜后,膜變得更加光滑致密,,但仍有一些小孔和幾根枝晶(圖1 Cii)。在薄膜中,幾乎只存在純的PbI2?NMP相(圖1 Dii)。當薄膜在70°C下退火時,出現明顯的α相(FACs)PbI3(圖 1Dii)。在150°C退火時,δ相完全轉變為α相(圖 1Di)。根據DFT計算(圖1F),因為α-FAPbI3是高溫相,如果來自δ-FAPbI3,則轉化能很高。然而,當PbI2?NMP與FAI反應形成鈣鈦礦時,α-FAPbI3的形成能急劇下降。
因此,在(FACs)PbI3鈣鈦礦DMF溶液中,Cs2Pb3I8?4DMF和FA2Pb3I8?4DMF的中間相隨后轉化為δ-(FACs)PbI3,因此導致不良的形態,如圖1E所示。添加NMP后,Cs2Pb3I8?4DMF和FA2Pb3I8?4DMF的中間相受到PbI2?NMP競爭的抑制,形成α-(FACs)PbI3。
為進一步提高薄膜質量,應完全抑制FA2Pb3I8?4DMF中間相。通過向前驅體溶液中進一步引入過量的PbCl2,形成PbX2?0.5NMP?0.5DMF,進一步抑制FA2Pb3I8?4DMF核的生長進,并且薄膜變得更致密(圖1 Aiii),表明鹵化鉛-NMP加合物的成核速度更快,并有效抑制了δ相的形成(圖 1Biii)。旋涂薄膜的XRD譜(圖 1Diii)表明存在PbI2?NMP和PbX2?NMP/DMF配合物,而沒有FA2Pb3I8?4DMF。
?武漢理工大學:剛發Nature Energy,又發Science!
圖2 采用KPF6鈍化的PSC光伏性能
為了進一步提高性能,作者對FA0.83Cs0.17PbI3?xClx表面進行了陽離子鹽(異丁胺溴化物,iBABr)的后處理,形成3D/2D結構的鈣鈦礦層(圖2A)。3D/2D鈣鈦礦基太陽能電池在反掃(RS)下的效率為23.02%,在正掃(FS)下實現了20.71%的效率。但明顯遲滯現象仍然存在。為了消除滯后現象并進一步提高光伏性能和穩定性,作者使用KPF6作為鈣鈦礦前驅體溶液的添加劑。通過添加KPF6,1.0 cm2的PSC從21.92% (RS)和19.31% (FS)增加到22.53% (RS)和22.27% (FS)(圖 2C)。加入KPF6后,鈣鈦礦薄膜的缺陷有所減少(圖2D),3D/2D鈣鈦礦的PL壽命明顯延長(圖2E,F)。這表明添加KPF6鈍化了缺陷,減少了陷阱誘導或非輻射復合。
?武漢理工大學:剛發Nature Energy,又發Science!
圖3 熱穩定性表征
經典的CsFAMA器件在360小時內迅速下降到2.9±3.1%;無MA的3D/2D器件在85°C老化500 小時后,只保持了初始效率的50%;通過添加KPF6可以抑制這種退化,3D/2D-KPF6器件在85°C下老化500 小時后,仍能獲得約80%的初始效率(圖3A)。這是由于KPF6顯著抑制了spiro-OMeTAD中的Co離子擴散到鈣鈦礦層。
?武漢理工大學:剛發Nature Energy,又發Science!
圖4 大面積組件的光伏性能表征
最后,研究人員開發了用于連續沉積大面積鈣鈦礦薄膜的氣體輔助凹模印刷技術,如圖4A所示,制造了5 cm×5 cm的鈣鈦礦電池組件,獲得了20.4%的效率。在10 cm×10 cm的放大模組中,在RS下的效率為19.54%,在FS下為19.22%(65.0 cm2的掩模面積)(圖4C)。
Lead halide?templated crystallization of methylamine-free perovskite for efficient photovoltaic modules. Science 372 (6548), 1327-1332.
http://science.sciencemag.org/content/372/6548/1327

JACS:化學預鋰化Gr/SiOx,搭配NCM622能量密度突破500Wh/kg

2021-06-17

?武漢理工大學:剛發Nature Energy,又發Science!

港城大支春義教授團隊EES: “一箭雙雕”——鋅-硝酸根電池用于電化學氨合成和電能輸出

2021-06-17

?武漢理工大學:剛發Nature Energy,又發Science!

華南理工大學程爽課題組:一種用于高性能水系鉀離子電池的無添加劑KAc凝膠電解質

2021-06-17

?武漢理工大學:剛發Nature Energy,又發Science!

程一兵院士等人最新Nature Energy

2021-06-16

?武漢理工大學:剛發Nature Energy,又發Science!

William C. Chueh本月再發Nature Energy

2021-06-16

?武漢理工大學:剛發Nature Energy,又發Science!

上科大劉巍Nano Letters:基于碳布上電催化性NiCo2O4納米纖維陣列的柔性高負載鋰硫電池

2021-06-16

?武漢理工大學:剛發Nature Energy,又發Science!

Janus石墨烯用于鈉離子電池

2021-06-16

?武漢理工大學:剛發Nature Energy,又發Science!

《國家鋰電藍圖》視頻會議來了!美國能源部長等出席

2021-06-15

?武漢理工大學:剛發Nature Energy,又發Science!

武大艾新平:打破桎梏,5分鐘實現石墨負極精準預鋰化,首效98.8%

2021-06-15

?武漢理工大學:剛發Nature Energy,又發Science!

武漢理工木士春課題組:鈷單原子位點隔離的鉑納米顆粒催化劑及在酸性條件下的氧還原和析氫反應性能

2021-06-15

?武漢理工大學:剛發Nature Energy,又發Science!

?武漢理工大學:剛發Nature Energy,又發Science!

本文由能源學人編輯liuqiwan發布整理,非特別說明為獨家版權,轉請注明出處:https://nyxr-home.com/51602.html

。參考文獻:

更多新聞

  • 中國超薄玻璃驚艷世界:厚度堪比A4紙 轎車撞不碎

    玻璃在日常生活中可以說無處不在,幾乎是天天能見到,但您見過厚度只有0.12毫米的玻璃嗎?0.12毫米是個什么概念,一張A4打印紙的厚度是0.095毫米,也就是說,這種玻璃只比一張紙略厚一點,更神奇的是,這種玻璃還很結實。

    33 2021-08-14
  • 高精度激光刻蝕柔性導電基底

    近來,在研究者不斷地努力中,剛性鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已經超過20%。在鈣鈦礦太陽能電池迅猛發展過程中,許多研究團隊將目光投向柔性鈣鈦礦太陽能電池的研發。柔性太陽能電池由于具有質量輕,便攜,易于運輸、安裝,可彎曲,可折疊等特點,廣泛應用于太陽能光電器件,電致發光器件,超級電容器等領域。

    78 2017-11-15
  • 關于代購nano-C PCBM的通知

    許多老師和同學都想買到性能優良的PCBM來提高鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化效率,在這里我們為您提供這個平臺。本公司可代購nano-C公司的PCBM,清關等一系列過關手續由本司代理,請廣大師生朋友都來代購nano-C家的PCBM。同時,本公司同時采購PC61BM,留有庫存,歡迎大家前來咨詢和采購。

    118 2017-03-18
  • 營口奧匹維特新能源科技有限公司獲得澳大利亞dyesol代理授權

    本公司已成功成為澳大利亞greatcell solar 公司(原澳大利亞dyesol公司),敬請廣大客戶前來咨詢購買greatcell solar產品。

    114 2017-01-18
伊人久久网1024