过饱和度调控晶体生长用于高效MAFAPbI3钙钛矿太阳能电池的制备
中国科学化学 Yolerz 2018-06-29

     金属卤素钙钛矿具有制备简单、成本低、缺陷少和载流子迁移率高的特点,目前经过认证的钙钛矿太阳能电池的效率达到了22.7%,是目前太阳能电池材料的研究焦点,并且在其它光电器件如激光器、光探测器和电致发光器件方面也展现出优异的性质,在光电材料与器件领域有广泛的应用前景。

 

      高质量钙钛矿薄膜的生长对器件的效率有重要影响,具有大晶粒、高结晶度的钙钛矿薄膜可以降低薄膜的缺陷和提高载流子迁移率,而光滑致密的形貌可以有效避免漏电流的产生。在成膜过程中,退火温度、溶剂氛围和前驱体浓度等生长条件的调控对于得到高质量的钙钛矿薄膜非常重要,但是目前还缺少简单而且重复性好的薄膜制备方法,尤其是在大面积薄膜的制备方面。此外晶粒形核和晶体生长的机制还不完善,缺少对钙钛矿薄膜的生长机理的理解。


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图1  不同溶剂挥发时间条件下,钙钛矿薄膜的形貌与晶粒尺寸比较

 

      最近,宁志军课题组系统研究了钙钛矿晶体生长中的过饱和度对晶体形核速率和晶体生长速率的影响。发现随着过饱和度的增加,钙钛矿形核率的增加速度要快于晶体生长的增加速度,即系统过饱和度越小晶粒尺寸越大;过饱和度的减少有利于晶体尺寸的增大,但是同时会带来孔隙的增多(图1)。随后他们运用Weimarn晶体生长理论对这一现象进行了解释,并发现钙钛矿材料属于螺旋生长机制(图2)。


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图2  形核速度、晶体生长速度和晶粒数与过饱和度的关系曲线

 

      基于钙钛矿材料成膜机制的研究,该课题组通过改变薄膜退火前的挥发时间,以及在退火过程中添加阻挡层的方法来调节体系的过饱和度,制备出了高结晶度、大晶粒的致密钙钛矿薄膜,并组装了钙钛矿太阳能电池(图2)。在平板结构和介孔超结构钙钛矿太阳能电池中,分别获得了高达19.70%和20.31%的最佳光电转换效率(图3)。


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图3  最高效率器件的伏安特性曲线,以及运用阻挡层来抑制溶剂挥发和过饱和度的快速增加示意图

 

      本工作加深了对钙钛矿薄膜生长机理的理解,同时为高质量重复性好的钙钛矿薄膜的制备提供了一种新的思路。该成果最近发表在Sci. China Chem. (DOI: 10.1007/s11426-018-9250-6)。


通讯作者简介

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      宁志军,上海科技大学物质科学与技术学院助理教授(终身教授序列),中组部青年千人计划入选者,国家重点研发计划青年科学家项目首席科学家。2009年在华东理工大学应用化学系获博士学位。2009-2011年在瑞典皇家工学院进行博士后研究,2011-2014年在加拿大多伦多大学进行博士后研究。2014年底加入上海科技大学物质科学与技术学院,任助理教授、课题组长、博士生导师。在Nature , Nat. Mater., J. Am. Chem.Soc., Adv. Mater等国际期刊发表论文 50余篇,其中独立工作以来发表文章20余篇,被引用5000余次。研究兴趣主要包括金属卤素钙钛矿和胶体量子点光电材料的开发和制备及其在太阳能电池、光探测器和电致发光器件中的应用。


      课题组主页: http://spst.shanghaitech.edu.cn/2018/0301/c2349a17377/page.htm

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