Grätzel最新Science Advances:22.2%,3D/2D钙钛矿电池新纪录!
坡肉先生 纳米人 2019-06-11

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第一作者:Yuhang Liu、Seckin Akin

通讯作者:Michael Grätzel、M. Ibrahim Dar

通讯单位:瑞士洛桑联邦理工学院

 

研究亮点:

1. 通过碘化五氟苯乙基铵在3D钙钛矿顶部制备2D钙钛矿,增强了3D钙钛矿的抗湿性。

2. 全氟苯的电子芳香核的性质,促进空穴的提取和抑制层间离子迁移。

3. 3D/2D钙钛矿太阳能电池的效率可达22.2%,耐湿、耐热的工作稳定性大幅度提高。

 

PSC亟待解决的关键问题

钙钛矿太阳能电池(PSC)因其独特的性能,包括高效率(PCE),可调谐带隙,低成本和大规模加工性而引起了广泛关注。在过去十年中,PSC领域的PCE突飞猛进,从3.8%增加到24.2%。然而,对于大规模的实际应用,需要在室外条件下实现PSC的长期运行稳定性。

 

3D/2D钙钛矿的高效率&稳定性

二维(2D)钙钛矿受到越来越多的关注。与3D钙钛矿受相比,其表现出更强的耐湿性。但是,由于薄膜的各向异性电荷传输属性,纯2DPSC的PCE仍低于14%。将2D钙钛矿的稳定性与3D PSC的优异的吸光特性如何完美结合,这是一个挑战。精确控制2D层在3D钙钛矿薄膜顶部均匀致密的生长,对器件的性能是至关重要的。

 

成果简介

有鉴于此,瑞士洛桑联邦理工学院Michael GrätzelM. Ibrahim Dar等人引入二维(2D)A2PbI4钙钛矿层,其使用五氟苯基乙基铵(FEA)作为氟代芳烃阳离子插入3D钙钛矿薄膜和空穴传输材料(HTM)之间。全氟化苯基团使得2D层具有超疏水特性,保护钙钛矿层免受环境湿气的影响,同时减轻器件中的离子扩散。未密封的3D/2D 钙钛矿太阳能电池在标准太阳光下,保持90%的效率超过1000小时。而且,2D层还增强了界面空穴提取,抑制了非辐射载流子复合,并使其效率高达 22.2%,这是目前3D/2D钙钛矿太阳能电池的记录值。

 

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图1. 2D/3D钙钛矿双层的实验策略、形貌表征和元素分析。(A)3D钙钛矿的2D处理的示意图形成具有FEA+阳离子结构表示的3D/2D双层钙钛矿。 (B)和(C)分别为纯3D钙钛矿和纯2D钙钛矿的结构。(D)氟XPS深入剖析3D/2D双层钙钛矿。(E)和(F)分别是纯3D和FEAI处理的3D/2D钙钛矿膜的SEM图像。

 

要点1:3D/2D钙钛矿双层的形貌表征和元素分析

首先,研究人员通过将3D钙钛矿浸没在(FEAI)溶液中,然后退火数分钟。UV-vis和SEM表征显示,处理前后薄膜未发生明显变化。然而,被处理FEAI的3D钙钛矿层的表面纹理看起来不同,可能形成覆盖层。FEAI可以通过替换3D钙钛矿薄膜的表面和晶界阳离子或插入阳离子空位。XPS的氟(F)的分析确定了顶部存在约9nm的FEA+薄层,而EDS分析证实了FEA+均匀分布在三维钙钛矿层上。XPS分析还显示了相应信号的逐渐增加到Pb和I,确认了下面层3D钙钛矿的存在。

 

要点2:3D/2D钙钛矿双层的结构分析

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图2. 3D/2D钙钛矿双层的结构和光谱表征。 钙钛矿薄膜的结构表征。(A)纯2D,3D和3D/2D钙钛矿薄膜的XRR测试。B)纯2D,3D和3D/2D钙钛矿薄膜的GIXD数据。(C至E)3D,3D/2D和纯2D钙钛矿膜的GIWAXS数据(F)两种不同入射角下GIWAXS数据的径向积分强度,以在体积(0.2°)和表面之间变化(0.1°)灵敏度。(G)3D和3D/2D钙钛矿膜的瞬态吸收光谱。

 

进一步,研究人员研究在3D钙钛矿薄膜上FEA+薄层结构。收集了X射线反射率(XRR;我们指的是镜面反射数据,即平面外结构)和掠入射X射线衍射(GIXD;即面内结构)来自纯和FEAI处理的3D钙钛矿薄膜的图案。作为参考,纯2D钙钛矿膜与组成(FEA)2PbI4的特征。研究表明,2D结构展示了最多强烈的布拉格反射,比其他两个结构的XRR值都高。纯3D钙钛矿的XRR和GIXD表现出对应于立方3D钙钛矿的反射相。FEAI处理的3D钙钛矿膜的XRR图案是对应于纯2D和3D的反射的叠加钙钛矿系统。这就证实了3D/2D的成功形成建筑。

 

要点3:高效稳定的钙钛矿太阳能电池

此外,研究人员研究了二维钙钛矿层的影响关于使用氟掺杂的PSC制造光伏性能,并采用FTO/c-TiO2/m-TiO2 /钙钛矿/spiro-OMeTAD/ Au结构。在标准AM 1.5G测试条件下,基于3D/2D双层的PSC,获得的效率高达22.2%,开路电压(VOC)为1.096 V,填充因子)为78.4%,短路电流(JSC)为25.8 mA cm-2。器件的重复性高。这是迄今为止采用2D钙钛矿层的PSC报告的最高值。然而,空白器件的PCE只有20.6%。稳态输出效率和IPCE测试都验证了该数据的可靠性。

 

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图3. 3D/2D双层PSC的器件架构,光伏性能和操作稳定性。 (A)3D/2DPSC的截面SEM。(B)3D PSC和3D/2D PSC的I-V曲线。(C)3D PSC和3D/2D PSC的IPCE曲线。(D)接触电阻与电压的关系图。(E)3D PSC和3D/2D PSC稳定性测试曲线,插图中显示相对湿度。(F)和(G)在不同时间下3D/2D和3D钙钛矿薄膜表面的水接触角测试。

 

最后,研究人员评估了未封装的器件工作稳定性。在环境湿度为40%,标准太阳光照射下,老化测试1000小时后,3D/2D PSC保留了其初始效率的90%,而3D PSC的效率下降到43%。同时,也证明了3D/2D PSC具有出色的储存稳定性。通过水接触角测量,3D/2D双层PSC具有出色的耐湿性能归因于全氟化物的超疏水特性。随后,研究人员计算出3D/2D钙钛矿层的表面自由能为24.3 mJ/m2,低于原始的3D钙钛矿层(54.7 mJ/m2)。值得注意的是,全氟化物能够抑制3D/2D PSC中的离子迁移,这有利于器件的热稳定性。

 

小结

综上所述,作者开发了一种有效的钝化策略,采用氟代芳烃阳离子来构筑二维(2D)A2PbI4钙钛矿层。全氟化苯基团使得2D层具有超疏水特性,提高3D钙钛矿层的湿热稳定性,并2D层增强了界面空穴提取,抑制了非辐射载流子复合。组装的器件效率高达 22.2%,这是目前3D/2D钙钛矿太阳能电池的记录值。在环境湿度40%和标准太阳光照射超过1000小时后,未封装的3D/2D 钙钛矿太阳能电池仍保持90%的效率。

 

参考文献:

Yuhang Liu, Seckin Akin, Linfeng Pan, Ryusuke Uchida, Neha Arora, Jovana V. Milić, Alexander Hinderhofer, Frank Schreiber,Alexander R. Uhl, Shaik M. Zakeeruddin, Anders Hagfeldt, M. Ibrahim Dar andMichael Grätzel. Ultrahydrophobic 3D/2D fluoroarene bilayer-basedwater-resistant perovskite solar cells with efficiencies exceeding 22%. Science Advances, 2019.

DOI: 10.1126/sciadv.aaw2543

https://advances.sciencemag.org/content/5/6/eaaw2543

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