香港中文大学朱骏宜&路新慧Nano Energy：绕过非钙钛矿黄相：揭示和调控高效全无机PSCs的结晶途径

1

前言回顾

有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）对于单结器件的功率转换效率（PCE）现已高达26.0%。然而，使用挥发性有机阳离子，如甲基铵 （MA+） 和甲酰胺 （FA+），却仍会阻碍它们在强热应力下的应用。为了解决这个问题，科研工作者们通过使用全无机钙钛矿（CsPbX3）中的Cs+去代替有机阳离子，从而获得更好的热稳定性。通过调整碘溴比，CsPbX3拥有更宽且可调的带隙，其范围在1.7 eV- 2.3 eV之间，这也使其适合用作串联器件中的顶部电池，与窄带隙底部电池（如晶体硅和CIGS）耦合。然而，全无机PSCs的功率转换效率（PCE）已达到21%以上，却仍未达到其理论PCE的最大值（28%）。

2

文献简介

基于此，香港中文大学物理系的朱骏宜和路新慧等人采用了低溴含量的CsPb（I1-xBrx)3（x=0.16），并首次揭示了热退火过程中在低温条件下形成的黑色γ相（LT-γ相），这为绕过非钙钛矿黄δ相提供了一个短暂的窗口，使LT-γ相直接在高温条件下过渡形成γ相（HT-γ相）。实验和计算结果表明，残留的DMSO作为表面活性剂可以使LT-γ相暂时得以稳定。当温度达到150°C时，DMSO蒸发，导致LT-γ相转变为δ相，通过进一步将温度升高到275°C，δ相会转换为更稳定的HT-γ相。然而，由此产生的薄膜质量非常不均匀且带有针孔状，这主要是由于γ相和δ相过渡期间剧烈的原子重排所导致的。为了绕过不需要的δ相，他们在热退火之前，在薄膜上旋涂了额外的甲基氯化铵（MACl）。结果表明， MA+部分掺杂到LT-γ相中， 即使DMSO蒸发后，也依旧保持了稳定性。在较高的温度下，MA+也会蒸发，残留的Cs+会填充，形成稳定的全无机HT-γ相，这种转变更有助于形成均匀和无针孔的薄膜。此外，Cl-的掺入也有利于缺陷钝化。最终，通过MACl处理，该课题组不仅将PSCs的PCE大幅提高到20.1%，且同时提高了器件在光照及湿度条件下的稳定性。该工作探讨了无机钙钛矿薄膜在热退火过程中的相变机理，强调了绕过中间δ相的关键作用，并证明了利用挥发性配体或表面活性剂调节相变途径以实现高效稳定的器件的可行性。

图1. (a) 薄膜制造工艺示意图; (b) 退火条件下的薄膜颜色演变

图2. 在不同阶段的温和退火和HT退火之后 (a) 对照和 (b) MACl处理的膜的2D GIWAXS图案; (c) 相应的俯视SEM图像

图3. 相变机制

图4. (a) 对照和MACl治疗装置的SCLC测量; (b) MACl处理的和 (c) 对照装置的ToF-SIMS光谱; (d) 对照和MACl处理膜的Cl 2p XPS光谱; (e) 对照和MACl处理设备的PCE统计数据; (f)对照和MACl处理装置的J-V曲线; (g) 对照和MACl处理装置的光强度依赖性VOC; (h) 稳定性测试

3

文献总结

总之，该课题组发现了CsPbX3膜热退火下的两种不同的相变途径，这导致了多样化的薄膜质量。控制膜从LT-γ相转变为δ相，再转换回到HT-γ相，导致薄膜的质量非常差。相比之下，MACl处理的薄膜经历了从LT-γ相到HT-γ相的直接过渡，表现出均匀且无针孔的形态，且晶粒尺寸大。从LT-γ相到δ相的转变使金属-卤化物-金属键角大大降低，导致δ相中铅-卤化物轨道重叠减弱和缺陷能级更深。因此，该工作强调了结晶途径对钙钛矿薄膜质量和器件性能的重要性，以及使用挥发性配体或表面活性剂控制结晶的可行性。相关研究成果最新发表于国际知名期刊《Nano Energy》上，题为“Bypassing the Non-Perovskite Yellow Phase: Revealing and Regulating the Crystallization Pathways for Efficient All-Inorganic Perovskite Solar Cells”。

本文关键词：所有无机钙钛矿太阳能电池，g-阶段；d-相，DMSO，MACl

转自：“有机钙钛矿光电前沿”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！