目前，有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到22.7%，超過了商業(yè)化的晶硅太陽能電池。但是由于鈣鈦礦材料在大氣環(huán)境中難以長期穩(wěn)定，仍是限制其工業(yè)化的致命弱點。鈣鈦礦多晶膜的缺陷多存在于薄膜的表面和相鄰晶粒間的晶界中，載流子的復(fù)合與材料降解活躍在這些區(qū)域，嚴(yán)重制約了器件的穩(wěn)定性與效率。目前多通過表面鈍化的策略隔絕材料與水氧接觸。然而，目前報道的表面鈍化材料以高分子聚合物居多，這些聚合物的選擇往往是隨機(jī)的。隨機(jī)的聚合物摻雜到鈣鈦礦薄膜中，阻礙了載流子的傳輸，從而部分犧牲了材料優(yōu)良的光電性能。
【成果簡介】
近日，Chem上刊登了題為：“Continuous Grain-Boundary Functionalization for High-Efficiency Perovskite Solar Cells with Exceptional Stability”的文章。文章的通訊作者為美國布朗大學(xué)的Nitin. P. Padture教授和Yuanyuan Zhou教授以及中科院青島生物能源與過程研究所的逄淑平研究員。文章的第一作者為布朗大學(xué)訪問博士生宗迎夏。
【本文亮點】
研究者們通過分析分子間的相互作用，選取了具有“親水-疏水-親水”對稱結(jié)構(gòu)的三嵌段共聚物Pluronic P-123加入到前驅(qū)體溶液中，調(diào)控鈣鈦礦多晶膜的結(jié)晶行為，獲得極為平整而又致密的MAPbI3鈣鈦礦薄膜。同時，這種三嵌段共聚物在晶界處形成連續(xù)且厚度可調(diào)節(jié)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，鈍化了晶界，有效的提升了器件的光電轉(zhuǎn)化效率和對環(huán)境的耐受力。通過這種對于晶界修飾的鈣鈦礦薄膜器件光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到19.4%，在一個標(biāo)準(zhǔn)太陽光模擬光源下持續(xù)光照480h，仍能保持92%的效率。同時，這種晶界被修飾過的薄膜顯示出優(yōu)異的濕度穩(wěn)定性，光照穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。
【圖文導(dǎo)讀】
圖一. 三嵌段共聚物修飾晶界的示意圖與結(jié)構(gòu)模型
A 三嵌段共聚物在MAPbI3薄膜內(nèi)沿晶界形成鈍化網(wǎng)絡(luò)的示意圖
B 三嵌段聚合物與鈣鈦礦分子間的氫鍵作用
C 計算鈣鈦礦分子與三嵌段聚合物之間的作用能的計算模型示意圖
圖二. 三嵌段聚合物最優(yōu)摻雜量（0.5%wt）的材料表征圖
A 三嵌段聚合物最優(yōu)摻雜量（0.5%wt）的鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜
B 三嵌段聚合物最優(yōu)摻雜量（0.5%wt）FTIR 圖譜
C 三嵌段聚合物最優(yōu)摻雜量（0.5%wt）的鈣鈦礦薄膜SEM 圖像
D 三嵌段聚合物最優(yōu)摻雜量（0.5%wt）的鈣鈦礦薄膜 AFM 圖像
圖三. 摻雜不同量三嵌段聚合物的鈣鈦礦薄膜的TEM 表征圖
A 最優(yōu)摻雜量（0.5%wt）的鈣鈦礦薄膜的低倍數(shù)TEM 圖像
B-D不同摻雜量（0 wt%，0.5% wt, 1.0% wt,10% wt）的鈣鈦礦薄膜的高倍數(shù)TEM圖像
E 最優(yōu)摻雜量（0.5%wt）的鈣鈦礦薄膜中氧元素的電子能量損失譜
圖四. 摻雜最優(yōu)量的三嵌段共聚物的鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)及表征
A 最優(yōu)摻雜量的三嵌段共聚物鈣鈦礦電池的橫截面SEM 圖像
B 不同三嵌段共聚物摻雜量電池器件的J-V曲線
C 最優(yōu)摻雜量的三嵌段共聚物鈣鈦礦電池器件的J-V曲線
D 最優(yōu)摻雜量的三嵌段共聚物鈣鈦礦電池器件的EQE及積分電流
圖五. 摻雜最優(yōu)量三嵌段共聚物的鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性測試(無摻雜的鈣鈦礦薄膜為空白樣)
A 濕穩(wěn)測試：70% RH
B 熱穩(wěn)測試：100℃
C 光穩(wěn)測試：一個標(biāo)準(zhǔn)太陽
D 摻雜0.5%wt的P123 MAPbI3 太陽能電池在模擬一個標(biāo)準(zhǔn)太陽光照下480h的效率統(tǒng)計圖
【小結(jié)】
研究者們理性地選擇了具有“親水-疏水-親水”對稱結(jié)構(gòu)的三嵌段共聚物Pluronic P-123摻雜到MAPbI3鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中，調(diào)控成膜過程，獲得極為平整致密的鈣鈦礦多晶薄膜。同時聚合物沿著多晶膜的晶界形成連續(xù)的鈍化網(wǎng)絡(luò)，且隨著晶界修飾后的鈣鈦礦薄膜顯示出優(yōu)異的環(huán)境耐受力。這項研究進(jìn)一步推進(jìn)了晶界功能化修飾對于提高鈣鈦礦材料及器件穩(wěn)定性的研究進(jìn)程，對于未來制造低成本、高光電轉(zhuǎn)化效率和室外環(huán)境穩(wěn)定的光伏器件提供了新的思路。
