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北理工陈棋教授团队 AM: 晶界“补丁”提高太阳能电池稳定性

【引言】

近年来,有机无机杂化钙钛矿太阳电池因其卓越的光电性能而备受瞩目,但器件稳定性依然是个极大的挑战。一方面,钙钛矿多晶薄膜不稳定,尤其是晶界处,很容易引发分解。此外,离子迁移和金属电极扩散现象也会显著降低器件效率,使器件长期稳定性大打折扣。如何系统地解决器件稳定性问题目前仍然需要全面的研究。

【成果简介】

近日,北京理工大学陈棋教授和李煜璟教授在材料类顶级期刊Adv. Mater.上发表了题为Grain Boundary “Patches” by in situ Conversion toEnhance Perovskite Solar Cells Stability的文章。该工作利用有机小分子甲巯咪唑(MMI)处理钙钛矿薄膜,将钙钛矿薄膜表面残存的PbI2原位地转化成PbI2-MMI络合物。该工作的巧妙之处在于形成的PbI2-MMI络合物刚好位于晶界处,好似“补丁”一样,将毗邻的晶粒缝合在一起!值得一提的是:MMI是治疗甲亢的特效药物。钙钛矿薄膜经过MMI“treatment”之后,其光稳定性显著增强了。此外,研究人员还发现该晶界补丁能够抑制离子迁移和金属电极扩散,极大地提升器件稳定性。未封装的器件经过670 多个小时的持续光照之后还维持了80%的初始效率。该工作通过引入晶界补丁的形式系统性地提高了器件的稳定性,为解决稳定性提供了全新的思路。

【全文解析】

 

北理工陈棋教授团队 AM: 晶界“补丁”提高太阳能电池稳定性

图1 晶界补丁的形成与表征。a) 晶界补丁形成原理示意图;b) 未处理的薄膜SEM图;c) MMI 处理之后的SEM图;d) MMI处理和未处理的薄膜以及PbI2-MMI络合物XRD图谱;e) MMI处理和未处理的薄膜 XPS图谱。

北理工陈棋教授团队 AM: 晶界“补丁”提高太阳能电池稳定性

图2 器件光电性能。a) 器件J-V曲线;b) 稳态效率;c) 迟滞系数;d) EQE曲线和积分电流曲线。

 

北理工陈棋教授团队 AM: 晶界“补丁”提高太阳能电池稳定性

图3 器件稳定性。a) 暗态下器件稳定性;b) 光照下器件性能曲线。

北理工陈棋教授团队 AM: 晶界“补丁”提高太阳能电池稳定性

图4 薄膜稳定性及进一步计算验证。a) MMI处理和未处理的薄膜样品不同光照下的吸收曲线;b) 缺陷形成能计算; c) MMI和无缺陷钙钛矿作用模型;d) 碘缺陷存在下MMI作用模型;e) MMI和氧缺陷作用模型。

北理工陈棋教授团队 AM: 晶界“补丁”提高太阳能电池稳定性

图5 器件稳定性:抑制碘迁移和银电极扩散。a) 未经MMI处理的HAADF-STEM图;b) MMI处理之后的HAADF-STEM图;c) 未经MMI处理的器件EDX线扫图;d) 经MMI处理的器件EDX线扫图。

 

 

【总结与展望】

该研究利用有机配位小分子和残存的PbI2构建了PbI2-MMI络合物“补丁”。同时提高了薄膜和电极的稳定性,显著延长了钙钛矿太阳能电池寿命。而且该方法简便易行,具有普适性也能够应用到其他领域,为材料设计提供了新的策略。

该工作的计算模拟部分由北京理工大学钟海政教授团队完成,也与北京理工大学金海波教授进行了深入的探讨,器件的HAADF-STEM表征得到了北京工业大学隋曼龄教授团队的帮助。工作是在国家自然科学基金、科技部重点研发计划和北京理工大学培育基金的支持下完成的。

 

Lang Liu, Sheng Huang, Yue Lu, Pengfei Liu, Yizhou Zhao, Congbo Shi, SiyuZhang, Jiafeng Wu, Haizheng Zhong, Manling Sui, Huanping Zhou, Haibo Jin,Yujing Li, Qi Chen, Grain-Boundary “Patches” by In Situ Conversion to Enhance Perovskite Solar Cells Stability, Adv.Mater., 2018, DOI:10.1002/adma.20180054

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