南工曹久朋&秦天石Adv. Funct. Mater：高效混合锡铅钙钛矿太阳能电池的咪唑衍生物辅助结晶

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前言回顾

有机-无机基于铅的钙钛矿太阳能电池（PSCs）的功率转换效率（PCE）已达到26.1%，与晶体硅太阳能电池相当。然而，由于基于铅的PSCs的带隙较大，其电流效率已接近Shockley-Queisser（S-Q）极限。通过调整Sn/Pb比，Sn-Pb混合钙钛矿（Sn-Pb PSCs）的带隙可以达到1.2 eV的最低值，甚至可以实现比基于铅钙钛矿更高的理论效率。此外，低带隙Sn-Pb PSCs对于所有基于钙钛矿的串联太阳能电池都是必不可少的，这有望打破S-Q限制。然而，含锡钙钛矿的快速结晶会导致钙钛矿薄膜的本体或界面处容易形成缺陷。同时，Sn2+也易氧化成Sn4+，导致严重的p型掺杂。针对此问题，已经采取了不同的方法来解决。如：一些抗氧化添加剂，如SnF2、SnCl2已被用于抑制Sn2+的氧化。然而，过量的Sn（II）添加剂可能会导致Sn-Pb PSCs薄膜的形貌恶化。近期，已经使用了其他类添加剂来抑制Sn4+形成，如肼，锡粉，和甲脒亚磺酸。虽然这些添加剂可以提高钙钛矿薄膜的整体质量，但不足以使Sn-Pb PSCs与基于铅的类似物一样具有竞争力。

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文献简介

基于此，南京工业大学柔性电子（未来技术）学院的曹久朋和秦天石等人将咪唑衍生物2-（氨甲基）咪唑二盐酸盐（2-AD）引入Sn-Pb PSCs中，制备混合了Sn-Pb的PSCs。其中，氮的孤对电子可以与金属离子配合，调节结晶过程，从而提高钙钛矿膜的均匀性。同时，─NH2基团可以与配位不足的金属离子形成配位键，钝化多型缺陷。此外，Cl−可以通过形成Pb/Sn─Cl键来提高钙钛矿薄膜的质量并钝化缺陷。并且，2-AD与钙钛矿之间的配位也可以抑制Sn2+的氧化，降低p掺杂水平，从而改善开路电压。最终结果表明，经2-AD修饰过的Sn-Pb PSCs得了22.31%的高PCE，并具有优异的稳定性。

图1. (a) 理论计算了2-AD的ESP; (b) 2-AD对钙钛矿缺陷钝化的示意图; (c) XRD图谱; (d) 对照和2-AD改性的钙钛矿膜的放大衍射峰

图2. (a) 对照和(b)2-AD改性的钙钛矿膜的SEM图像; (c) 对照钙钛矿膜和(d)具有2-AD的钙钛矿膜的AFM图像

图3. (a) 2-AD和2-AD/SnF2配合物的FTIR光谱; 对照和掺入2-AD的钙钛矿膜的(b) Pb4f和(c，d) Sn3d的XPS光谱

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文献总结

总之，该课题组通过引入多功能咪唑衍生物2-AD辅助了Sn-Pb PSCs的结晶过程。其中， ─NH2C═N可与Sn2+ /Pb2+配位，减缓晶体结晶并扩大晶粒尺寸。同时，Cl−进入晶格也有利于提高钙钛矿薄膜质量。此外，2-AD可以有效抑制Sn2+的氧化并降低缺陷密度。结果显示，Sn-Pb PSCs的PCE从19.25%提高到22.31%，且具有出色的长期稳定性。本工作为制备高性能Sn-Pb PSCs提供了一种有效的解决方案。相关研究成果最新发表于国际知名期刊《Advanced Functional Materials》，题为“Imidazole Derivative Assisted Crystallization for High-Efficiency Mixed Sn–Pb Perovskite Solar Cells”。

本文关键词：结晶；抑制氧化；Sn–Pb混合钙钛矿；稳定性

转自：“有机钙钛矿光电前沿”微信公众号

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