摘要

FAPbI3憑借其出色的光伏特性，成為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）光吸收層的理想候選材料。然而，由于競(jìng)爭(zhēng)性光活性δ相的形成能較低，穩(wěn)定光活性α-FAPbI3仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。 華中科技大學(xué)尤帥、北航張淵和國(guó)家納米科學(xué)中心周惠瓊團(tuán)隊(duì)在Nano Letters上發(fā)表的研究成果，采用四乙基三溴化鉛 (TEPPbBr3) 單晶作為PbI2外延生長(zhǎng)的模板，成功地穩(wěn)定了α-FAPbI3。TEPPbBr3的策略性使用優(yōu)化了中間體的演化和鈣鈦礦的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，從而產(chǎn)生高質(zhì)量且相穩(wěn)定的α-FAPbI3薄膜。研究人員通過(guò)使用光焱科技的太陽(yáng)光模擬器 (SS-F5)、量子效率測(cè)試系統(tǒng) (QE-R) 和電致發(fā)光量子效率測(cè)試系統(tǒng) (REPS) 等設(shè)備，對(duì)器件的光電性能進(jìn)行了深入分析。結(jié)果表明，TEPPbBr3改性鈣鈦礦表現(xiàn)出優(yōu)化的載流子動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了25.13%的效率和0.34 V的小開路電壓損失。此外，目標(biāo)器件在最大功率點(diǎn) (MPP) 跟蹤下超過(guò)1000 小時(shí)仍保持其初始效率的90%，展現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

研究背景

近年來(lái)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池由于其高效率、低成本和易于制造等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。FAPbI3鈣鈦礦材料因其更窄的帶隙和更高的理論效率而被認(rèn)為是下一代高效PSCs的理想光吸收層材料。然而，FAPbI3容易形成非光活性的δ相，導(dǎo)致器件性能和穩(wěn)定性下降。為了克服這一挑戰(zhàn)，研究人員致力于開發(fā)各種方法來(lái)穩(wěn)定α-FAPbI3相。

研究方法

該研究采用TEPPbBr3單晶作為PbI2外延生長(zhǎng)的模板，以調(diào)控α-FAPbI3鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶過(guò)程。研究人員通過(guò)X射線衍射 (XRD)、掃描電子顯微鏡 (SEM) 和紫外-可見吸收光譜等手段對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了表征。此外，他們還使用光焱科技的太陽(yáng)光模擬器 (SS-F5) 對(duì)器件的電流密度-電壓 (J-V) 特性進(jìn)行了測(cè)試，并使用量子效率測(cè)試系統(tǒng) 獲得了器件的外部量子效率 (EQE) 曲線。為了進(jìn)一步探究器件的光物理性質(zhì)，研究人員利用光焱科技的鈣鈦礦與有機(jī)光伏Voc損耗分析系統(tǒng)  (REPS) 對(duì)器件的電致發(fā)光 (EL) 光譜進(jìn)行了分析。

SI 參數(shù)圖13_反向掃描和正向掃描下 (A) 對(duì)照器件和 (B) 目標(biāo)器件的 J-V 曲線

SI 參數(shù)圖16_對(duì)照器件和目標(biāo)器件在不同注入電壓下的 EL 光譜。

研究結(jié)果與討論

研究結(jié)果表明，TEPPbBr3單晶的引入有效地調(diào)控了PbI2的結(jié)晶過(guò)程，促進(jìn)了α-FAPbI3的形成并抑制了δ相的產(chǎn)生。TEPPbBr3改性鈣鈦礦薄膜表現(xiàn)出更大的晶粒尺寸、更低的缺陷密度和更優(yōu)異的載流子傳輸性能。使用光焱科技的太陽(yáng)光模擬器 (SS-F5) 進(jìn)行的J-V測(cè)試結(jié)果顯示，基于TEPPbBr3改性鈣鈦礦的器件實(shí)現(xiàn)了25.13%的效率，開路電壓 (Voc) 達(dá)到1.19 V，短路電流密度 (Jsc) 為25.85 mA/cm2，填充因子 (FF) 為81.69%。此外，使用人員亦可以選擇通過(guò)光焱科技的量子效率測(cè)試系統(tǒng) (QE-R) 獲得的EQE曲線表明，器件在整個(gè)可見光范圍內(nèi)都具有較高的量子效率，進(jìn)一步證實(shí)了器件的優(yōu)異性能。

為了研究器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，研究人員在最大功率點(diǎn) (MPP) 跟蹤下對(duì)器件進(jìn)行了1000小時(shí)的光照測(cè)試。結(jié)果表明，目標(biāo)器件在1000小時(shí)后仍保持其初始效率的90%，展現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。此外，通過(guò)光焱科技的鈣鈦礦與有機(jī)光伏Voc損耗分析系統(tǒng) (REPS) 對(duì)器件的EL光譜進(jìn)行分析，研究人員發(fā)現(xiàn)TEPPbBr3改性鈣鈦礦的非輻射復(fù)合損失顯著降低，進(jìn)一步解釋了器件效率和穩(wěn)定性提升的原因。

結(jié)論與展望

該研究通過(guò)使用TEPPbBr3單晶作為PbI2外延生長(zhǎng)的模板，成功地穩(wěn)定了α-FAPbI3鈣鈦礦相，并實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定的PSCs。研究結(jié)果表明，TEPPbBr3的引入有效地調(diào)控了鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶過(guò)程，優(yōu)化了器件的載流子動(dòng)力學(xué)，從而顯著提高了器件的效率和穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作為制備高效穩(wěn)定的FAPbI3基PSCs提供了一條有前景的途徑，并為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

使用設(shè)備

本研究使用光焱科技SS-X系列太陽(yáng)光模擬器以及REPS 鈣鈦礦與有機(jī)光伏Voc損耗分析系統(tǒng)

原文出處: Nano Letter 2024.4月