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MAPb1-xSnxI3太阳电池:载流子动力学与器件性能

钙钛矿太阳电池是以具有钙钛矿结构的有机-金属卤化物等作为核心光吸收、光电转换、光生载流子输运材料的太阳电池。钙钛矿太阳电池的核心光电转换材料具有廉价、制备工艺简单等特点,因此其能量转换效率在短短的七年时间内得到了快速的提升。但是,尽管基于纯铅钙钛矿材料所制备的电池器件已经取得了22.1%的能量转换效率,但是本身固有的铅毒性仍然制约了其进一步产业化的发展。在这种情况下,发展无铅或者少铅的钙钛矿太阳电池逐渐受到了人们的关注。到目前为止,锡、锗、铜、锗和铋等元素纷纷被报道,用来制备无铅钙钛矿新材料,但是只有纯锡钙钛矿太阳电池可以达到超过6%的能量转换效率。这主要是因为二者位于同一主族,并且Sn2+和Pb2+具有相似的离子半径,因此替换后不会发生明显的晶格畸变。相较于纯铅钙钛矿薄膜,纯锡钙钛矿薄膜在制备过程中结晶速度快,成膜覆盖度差,表现出对制备工艺严重依赖性,并且Sn2+在空气中极易氧化成为Sn4+,进而导致所制备的电池器件效率普遍偏低并且衰退现象严重。铅-锡混合钙钛矿太阳电池的出现,既可以保证较高的能量转换效率,又可以在一定程度上减少铅的含量,因此近段时间受到广泛的关注。

近期,暨南大学新能源技术研究院麦耀华课题组针对铅-锡混合钙钛矿薄膜结晶快,生长动力学不易控制等问题,引入溶剂工程,采用DMSO溶剂分子与PbI2和SnI2分子键连,生成中间体配合物SnI2·DMSO·PbI2,大大抑制了前驱物薄膜的结晶。随后,通过MAI分子与DMSO分子实现分子交换,继而生成高致密,大晶粒的MAPb1-xSnxI3钙钛矿薄膜。其结晶动力学过程示意图,如下图所示:

MAPb1-xSnxI3太阳电池:载流子动力学与器件性能


基于此方法制备的FTO/PEDOT:PSS/MAPb0.75Sn0.25I3/PCBM/BCP/Ag太阳电池可实现超过14%的稳定能量转换效率。为了探索制约铅-锡混合太阳电池性能的因素,作者对比了MAPbI3和MAPb0.75Sn0.25I3太阳电池器件的二极管特性、载流子浓度、缺陷态密度,界面复合寿命和体复合寿命,证明了MAPb0.75Sn0.25I3薄膜中Sn2+氧化生成Sn4+导致了薄膜内部的载流子浓度增加,耗尽层宽度变窄,进而缩短了少数载流子寿命。并且,缺陷态密度的变化,加剧了空穴和电子传输的不平衡,进而导致了回滞现象的发生。该研究为高效、稳定的无铅或少铅钙钛矿太阳电池的进一步研发提供了理论和技术支持。

 

相关结果发表在ChemSusChem, 2017, DOI: 10.1002/cssc.201700880,

作者Jiandong Fan*, Chong Liu, Hongliang Li, Cuiling Zhang, Wenzhe Li*, Yaohua Mai*,

文章链接为http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cssc.201700880/full

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