【引言】
近年來，鹵化物鈣鈦礦材料已經成為推動太陽能電池領域的一場革命，因為它們提供了低成本和出眾的光電性能。自2009年發明以來，鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的功率轉換效率（PCE）在很短的時間內迅速攀升，這主要歸功於高質量薄膜的沉積和鈣鈦礦材料的重大進展。甲基銨（MA + ）、甲醯胺（FA + ）、銫（Cs + ）和銣（Rb + ）陽離子的結合，以及Cl、Br和I陰離子的結合，可以製造出高PCE PSCs。然而，這種成分工程也可以引起晶體結構和薄膜形態的重大變化，與光/場誘導的離子運動和元素分離，潛在地損害設備的長期運行穩定性。此外，結構越來越複雜，性能/穩定性結果難以複製，給合金化方法的重現性和規模化蒙上了陰影。簡化鈣鈦礦的組成有可能從根本上解決這些問題。在這種情況下，由於更長的電荷擴散長度、更高的熱穩定性和更接近理想PCE極限的帶隙，純α-FAPbI 3 鈣鈦礦被認為是更好的選擇。但是，FA + 陽離子的半徑較大，因此難以形成穩定、純相的3D鈣鈦礦以及高質量薄膜。因此，合成高質量MA 1-x FA x PbI 3 薄膜的能力對於製造高PCE，簡單組成的PSC至關重要。 但是，當x較大時，這很難實現，因為α-FAPbI 3 經歷了向「黃色」非鈣鈦礦過FAPbI 3 的相變，由此產生的膜的結晶並不理想。反過來又限制了MA 1-x FA x PbI 3 薄膜的PSCs性能。
【成果簡介】
近日，在 瑞士洛桑聯邦理工學院Mohammad Khaja Nazeeruddin教授團隊等人（通訊作者）帶領下，與 美國布朗大學和 豐田汽車公司合作，證明了通過二甲基亞碸和二乙醚的協同作用，利用溶劑介導的相變過程，將50%的甲醯胺（FA + ）混入甲胺碘化鉛（MAPbI 3 ）中，就能形成高結晶、穩定相和緊湊的多晶晶粒形態的鈣鈦礦，表現出較長的載流子壽命、較低的阱態密度，在純碘化物、鹼性-非金屬的MA 0.5 FA 0.5 PbI 3 鈣鈦礦基PSCs中，具有創紀錄的21.8%的功率轉換效率（PCE）。這些PSCs表現出非常高的工作穩定性，在1000小時1日照強度下，PCE保持率為85%。還展示了一個17.33%的PCE模塊（6.5×7cm 2 ），證明了這種器件的可擴展性。該成果以題為 「The Synergism of DMSO and Diethyl Ether for Highly Reproducible and Efficient MA0.5FA0.5PbI3Perovskite Solar Cells」發表在了 Adv. Energy Mater.上。
【圖文導讀】
圖1 FA0.5MA0.5PbI3鈣鈦礦薄膜的結構表征
圖2 CB5和DE5薄膜的形貌表征
圖3 CB5和DE5薄膜的光物理性質
圖4 CB5和DE5器件的光伏性能
圖5DE5基鈣鈦礦太陽能電池的光電性能表征
【小結】
綜上所述，所報道的具有最高認證效率的PSCs通常是基於碘化物鈣鈦礦和少量鹵素摻雜劑（Br或Cl），或鹼性金屬摻雜劑（如Cs、Rb）。由於I/Br/Cl和有機陽離子/鹼性金屬中不可避免的光誘導元素分離問題，這可能會對設備的長期運行穩定性提出問題。在這項工作中，該團隊簡化了鈣鈦礦的組成，這有可能從根本上解決這些問題。證明了在純-碘化物、鹼性-非金屬MA 0.5 FA 0.5 PbI 3 鈣鈦礦基PSCs中，二乙醚作為溶劑中介體參與了鈣鈦礦薄膜的相變和結晶，其效率達到了創紀錄的21.8%。總的來說，這項工作為生產高性能PSCs開闢了一條新途徑，同時最大限度地減少鹵素或鹼金屬摻雜物在實際應用中的使用。
文獻連結：The Synergism of DMSO and Diethyl Ether for Highly Reproducible and Efficient MA 0.5 FA 0.5 PbI 3 Perovskite Solar Cells（Adv. Energy Mater.， 2020，DOI:10.1002/aenm.202001300）
本文由 木文韜供稿。
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