钙钛矿太阳能电池,又发Science!
米测 MeLab 纳米人 2024-07-01

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研究背景 

甲脒铅碘(FAPbI3)是一种广泛应用于光伏设备中的钙钛矿光吸收体。由于其较低的带隙(Eg)、优越的光电性能以及相对于甲胺铅碘(MAPbI3)的更高热稳定性,FAPbI3中的甲脒(FA)阳离子引起了广泛关注。

然而,FAPbI3存在相稳定性的问题。3D FAPbI3的α相(黑相)在室温下容易转变为光无活性的黄色δ相,这限制了其在实际应用中的稳定性和效率。这一问题的根源在于FA阳离子相对于A位来说几乎太大,导致其Goldschmidt容忍因子处于稳定范围的边缘。

因此,科学家们提出了多种方法来提高FAPbI3的相稳定性。例如,通过在A位上合金化FA与Cs或MA以降低容忍因子,尽管这种方法会导致带隙的增加。此外,研究人员还探索了使用各种添加剂(如甲胺氯、甲脒甲酸盐等)来稳定黑相FAPbI3。然而,这些方法在高温或强光照条件下的长期稳定性仍然有限。

为了解决这一问题,美国莱斯大学Aditya D. Mohite研究团队在“Science”期刊上发表了题为“Twodimensional perovskite templates for durable, efficient formamidinium perovskite solar cells”的最新论文。他们提出了一种新的策略,即通过使用特定的二维(2D)钙钛矿进行晶格模板化来制备超稳定的纯相FAPbI3薄膜。这些2D钙钛矿以FA作为笼阳离子,能够在较低温度(100°C)下诱导FAPbI3形成黑相,比传统方法的温度低得多。在这种方法中,2D钙钛矿通过其(011)晶间距模板化FAPbI3的晶格,使其略微压缩,从而稳定黑相结构。  
 
通过这种2D模板化方法制备的FAPbI3薄膜在pin结构的光伏设备中表现出24.1%的高效率,并在85°C和最大功率点跟踪下经过1000小时后仍能保持97%的初始效率。这一研究结果表明,通过使用与FAPbI3晶格常数相匹配的设计师2D钙钛矿,可以显著提升3D钙钛矿的相稳定性和光伏性能,为进一步提升钙钛矿太阳能电池的实际应用提供了新思路。

科学亮点

(1)实验首次实现了利用特定二维(2D)钙钛矿进行晶格模板化来制备超稳定纯相甲脒铅碘(FAPbI3)薄膜。这种方法通过在二维钙钛矿的(011)晶间距上模板化三维(3D)FAPbI3的(001)晶间距,实现了在较低温度下(100°C)合成黑相FAPbI3,而无需传统方法中的高温(150°C)退火步骤。

                  

(2)实验通过一系列方法验证了结果的有效性和稳定性:

i.利用X射线衍射和光谱分析,发现生成的FAPbI3薄膜略微压缩,以适应下层2D钙钛矿的晶格参数。这表明3D FAPbI3可以通过2D钙钛矿的模板化形成高度稳定的黑相。    

ii.在pin器件结构中,2D模板化的FAPbI3块体薄膜展示了24.1%的光电转换效率(PCE),活性面积为0.5平方厘米。

iii.这些薄膜在高温(85°C)和AM1.5G光照条件下表现出卓越的耐久性,在最大功率点跟踪(MPPT)下1000小时后仍保持了初始效率的97%。

                  

(3)实验揭示了动力学捕获FAPbI3的α相的重要性,这是实现室温下稳定太阳能电池操作的关键。传统的FA基钙钛矿太阳能电池在超过60°C的条件下容易退化,而通过引入二维钙钛矿模板,可以显著提高黑相FAPbI3的稳定性。

                  

(4)实验展示了一种创新的设计策略,即通过二维钙钛矿种子实现三维钙钛矿的模板化生长。这种方法不仅能够在较低温度下实现FAPbI3的黑相形成,还能够通过添加预合成的二维钙钛矿粉末将这种稳定性转化为可扩展的溶液处理方法,适用于大规模生产。


图文解读

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图1:FAPbI3二维钙钛矿晶格模板设计原理及概念验证。 

   

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图2. 2D钙钛矿稳定FAPbI3的机制。  

 

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图3. 相稳定FAPbI3薄膜的原位结构表征。


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图4:相稳定FAPbI3薄膜光学表征。

   

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图5:二维稳定钙钛矿设备性能。



总结展望

本文开发了一种创新的方法,通过使用2D钙钛矿作为模板来稳定3D钙钛矿的晶体结构。传统上,3D钙钛矿由于其高度对称的晶格结构在稳定性和性能之间存在挑战。作者利用2D钙钛矿的较低形成焓和在室温下的相稳定性,作为首选成核起源,成功将其用作3D钙钛矿薄膜的模板。    

              

通过将3D FAPbI3的PbPb原子间距模板化到2D钙钛矿的相似间距,作者实现了在远低于传统温度的条件下形成高度稳定的黑相FAPbI3。这种方法不仅显著降低了制备温度,还提高了材料的稳定性和光电性能。通过广泛的材料表征技术,包括WAXS、光吸收和PL,作者验证了黑相FAPbI3的晶格参数与2D钙钛矿的相匹配,这进一步确认了模板效应的有效性。


这一研究展示了一种新的设计策略,可以通过精确匹配的晶格模板化来控制和优化复杂的钙钛矿结构。未来,这种策略可能不仅在钙钛矿领域有所应用,还可能推动其他材料系统的研究,尤其是那些需要在低温和室温条件下实现高稳定性和优越性能的材料。


原文详情:
Siraj Sidhik et al. ,Twodimensional perovskite templates for durable, efficient formamidinium perovskite solar cells.Science384,12271235(2024).
DOI:10.1126/science.abq6993 

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