从最新几篇Science和Nature,谈钙钛矿的原位稳定
坡肉先生 纳米人 2019-08-08

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开卷有益

 

编者注:专栏丨杂谈钙钛矿的第4期,最新上线的黄劲松团队的Science再次把大家的注意力吸引了过来。就在8月3日,美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)发布最新效率统计,单结钙钛矿太阳能电池(PSCs)的效率高达25.2%,刷新了1%!还是来自于相同的单位,分别为韩国化学技术研究所(KRICT)和麻省理工学院(MIT)。从2009年至今,钙钛矿电池发展的前十年是效率,那么后十年甚至在更久时间内必要克服的问题是稳定性。那么到底有没有可靠有效的策略呢,且看本期的杂谈。

 

大家好,我是坡肉先生。今天是杂谈钙钛矿丨坡肉专栏第4期,要和大家分享的是主题是:从最新几篇Science和Nature谈钙钛矿的原位稳定。分享内容包括Science和Nature等数篇成果,主旨是原位钝化稳定的策略!希望本期内容能够给大家更多的思考和启发。

 

佳作赏析


1.   Science: PbSO4, Pb3(PO4)2稳定原位钝化层

美国内布拉斯加大学林肯分校、北卡罗来纳大学黄劲松团队通过将钙钛矿与硫酸盐或磷酸盐离子反应,将卤化铅钙钛矿表面转化为水不溶性PbSO4, Pb3(PO4)2稳定原位钝化层,可以有效地稳定钙钛矿。这些原位钝化层通过形成强化学键来增强钙钛矿薄膜的耐水性。同时,宽带隙,原位钝化层降低钙钛矿表面上的缺陷密度。原位钝化层的形成增加了载流子寿命,制备的器件的效率可达21.1%。稳定性测试也表现优异。在AM 1.5G光照下,具有原位钝化层的器件在65 ℃稳定输出1,200小时后,保持其初始效率的96.8%。由此可见,氧化物的稳定性确实相当优异。

坡肉精确调控氧化物钝化层的厚度和致密性是关键点。太厚效率降低(毕竟是electrical insulation),太薄就很控制其封装的效果。硫酸盐或磷酸盐的有机盐的刷选也是很有门道,感兴趣的读者可以细细品味。

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2.   ACS Energy Lett.: 低聚SiO2原位包覆钙钛矿

由缺陷态引起的钙钛矿的内在不稳定性成为阻碍PSCs商业化的挑战之一。美国内布拉斯加大学林肯分校、北卡罗来纳大学黄劲松团队报道了一种简单的策略,即将低聚SiO2(OS)原位包覆钙钛矿。这不仅可以钝化表面和晶界处的缺陷,而且稳定钙钛矿晶粒。研究发现,OS包裹的钙钛矿中陷阱密度明显降低和载流子寿命延长。基于此,倒置器件的效率可达21.5%,具有1.15 V的高开路电压和81%的填充因子。这种原位包覆钙钛矿的策略使得PSC的工作稳定性得到显著改善,在AM 1.5G光照下,器件老化超过5,200小时后,仍可保持80%的初始效率。

坡肉说:SiO2钝化在目前主流的硅电池的常见策略。原位钝化不仅可以降低缺陷,而且可以抑制在界面处的离子迁移。卤化物杂化钙钛矿中的卤素,吸光靠它,稳定性也受限于它!
 

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3.Nature:MABr原位钝化CsPbBr3钙钛矿
考虑到CsPbBr3和MABr在极性溶剂DMSO溶解度差异大的特性,华侨大学魏展画团队巧妙地在CsPbBr3的DMSO溶液中引入MABr,随着溶剂挥发和反溶剂滴加,CsPbBr3先形核生长,而MABr后结晶析出。最后形成CsPbBr3@MABr准核-壳结构钙钛矿薄膜。MABr原位钝化CsPbBr3具有覆盖度高,表面平整。同时,MABr能有效钝化CsPbBr3的缺陷态。基于CsPbBr3@MABr的LED,外量子效率(EQE)超过17%,并且结合PMMA)绝缘材料作为阻挡层,EQE超过20%,寿命(T50)超过100小时的钙钛矿LED器件。

坡肉说利用溶解度差异实现原位钝化,可谓是神来之笔!基本原理人人都晓,如何将其完美应用,并真正的深挖研究,屈指可数!有机盐溶解的多,那么是否有一大批备选的材料可用? 各位“矿友”如何看?

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4. Nat.Photon.: 碘化苯乙胺原位钝化钙钛矿

中国科学院半导体研究所游经碧团队采用碘化苯乙胺(PEAI)在钙钛矿薄膜上实现表面缺陷钝化。PEAI可以减少缺陷和抑制非辐射复合。器件获得23.32%(准稳态)的认证效率。此外,在1.53 eV的吸收阈值下具有高达1.18 V的开路电压(VOC),这是Shockley-Queisser极限(1.25 V)的94.4%。

坡肉说:老化测试后,原位生成的宽带隙钙钛矿层,PEA2PbI4层是稳定性关键!
 

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5. Nature : HTAB处理,原位生成宽带隙钙钛矿层

韩国化学技术研究所(KRICT)的Eui HyukJung团队通过在钙钛矿表面上,引入正己基三甲基溴化铵(HTAB)的原位反应,在窄带隙光吸收层的顶部形成薄的宽带隙钙钛矿层。基于P3HT,器件认证效率为22.7%,在室温和AM 1.5G光照1,370小时后,封装器件仍保持95%的初始效率。原位钙钛矿钝化层和P3HT的结合可能是PSCs研究的一个有价值的研究方向。

坡肉说宽带隙钙钛矿包括一维度、二维钙钛矿(可能还有零维)。大阳离子后处理钙钛矿,原位形成宽带隙钙钛矿,然后提高器件水、光的稳定性。这是共识的策略。宽带隙钙钛矿的形成的动态过程目前鲜有报道哦!
 

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6. EES: 线性烷基溴化铵处理,原位生成宽带隙钙钛矿层

    麻省理工学院(MIT)的Seong Sik Shin和Moungi G. Bawendi团队采用(线性烷基溴化铵/氯仿)的后处理策略,在3D钙钛矿薄膜上原位生成层状钙钛矿(LP)。LP钝化层(形成3D/LP异质结构)可以有效钝化界面和晶界缺陷,同时增加了抗湿性。原位钝化层不会破坏高质量底层,最小化非辐射复合位点,并防止界面处的载流子淬灭。这使得器件的开路电压损耗仅为~340 mV,器件的最高效率高达23.4%,认证效率为22.6%,稳定性也得到大幅度增强。此外,钙钛矿太阳能电池的电致发光EQE高达8.9%。
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坡肉说:MIT的原位钝化策略和KRICT如出一辙!!由此可见,宽带隙钙钛矿层钝化是高效稳定的关键!第一次联手获得24.2%,再次联袂刷新至25.2%!咱也不敢妄加揣测!(宽带隙+原位钝化+3D吸光层)

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写在后面的话
坡肉说,原位钝化策略可能成为提高钙钛矿器件性能的主流策略!信不信?那就让我们拭目以待!值得注意的是,大面积模组效率接近12%,由中国企业——杭州纤纳光电科技有限公司创造!这一纪录超过了日本东芝集团保持的效率!可喜可贺!

从小到大,从难到更难,钙钛矿电池研究就是这么有挑战!每位“矿友”都必肩负责任,只有迎难而上,美好的明天水才会更清,天才会更蓝!
 
如果想深入学习,还得探本溯源,博览群书般的在纳米人的官网上搜索相关文献,细细品味。畅想下,左手文献,右手文献,面前的电脑也是文献!这场景多么妙不可言呀!

下期见!SEE YOU!
纳米人-钙钛矿文献总结,在http://www.nanoer.net/纳米人官网搜索"钙钛矿”即可获取!
 
原文在这儿:
[1] Stabilizinghalide perovskite surfaces for solar cell operation with wide-bandgap leadoxysalts, Science,2019
DOI:10.1126/science.aax3294.
https://science.sciencemag.org/content/365/6452/473
[2]Bai, Y.,Lin, Y. et al. Oligomeric Silica-Wrapped Perovskites Enable Synchronous DefectPassivation and Grain Stabilization for Efficient and Stable PerovskitePhotovoltaics. ACS Energy Letters, 1231-1240, 2019
Doi:10.1021/acsenergylett.9b00608.
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.9b00608
[3] ZhanhuaWei et al. Perovskite light-emitting diodes with external quantumefficiencyexceeding 20 per cent. Nature 2018, 562, 245–248.
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0575-3
[4]Jiang, Q.et al. Surface passivation of perovskite film forefficientsolar cellsNat. Photon. 2019
DOI:/10.1038/s41566-019-0398-2
https://www.nature.com/articles/s41566-019-0398-2
[5] Efficient, stable and scalable perovskite solarcells using poly(3-hexylthiophene). Nature. 2019
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1036-3
[6]Yoo, J. J. et al. An Interface Stabilized Perovskite Solar Cell with HighStabilized Efficiency and Low Voltage Loss. Energy Environ. Sci., 2019
Doi:10.1039/C9EE00751B.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ee/c9ee00751b#!divAbstract
[7] https://www.nrel.gov/pv/device-performance.html

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