西北工业大学刘哲&王洪强教授最新CEJ：一维相诱导的多孔模板用于两步法制备高效混合卤素钙钛矿太阳能电池- 大数跨境

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西北工业大学刘哲&王洪强教授最新CEJ：一维相诱导的多孔模板用于两步法制备高效混合卤素钙钛矿太阳能电池

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2024-11-19

导读：西北工业大学刘哲&王洪强教授最新CEJ：一维相诱导的多孔模板用于两步法制备高效混合卤素钙钛矿太阳能电池

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文章信息

一维相诱导的多孔模板用于两步法制备高效混合卤素钙钛矿太阳能电池

第一作者：张旭、陈睿豪

通讯作者：刘哲*，王洪强*

单位：西北工业大学

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研究背景

两步顺序沉积法制备混合卤素钙钛矿相比于一步反溶剂法具有更高的可控性和可重复性。然而，致密的卤化铅薄膜会严重阻碍有机盐的扩散，导致残留较多卤化铅，从而对器件性能造成不利影响。

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文章简介

近日，西北工业大学刘哲和王洪强教授于Chemical Engineering Journal刊发题为”1D-phase-induced porous templates for efficient two-step-processed mixed-halide perovskite solar cells”的研究文章，开发了一种独特的维度调控策略，实现了多孔结构的卤化铅模板。该研究在第一步卤化铅前驱体溶液中引入N，N-二异丙基苯并咪唑-双三氟甲磺酰亚胺（IPR-TFSI），IPR+阳离子与卤化铅作用形成的一维（1D）相能够增加卤化铅薄膜的孔隙度，促进有机盐的扩散。此外，TFSI-阴离子的-F和S=O官能团也能与钙钛矿相互作用，钝化未配位的Pb2+缺陷并抑制A位阳离子迁移，减少了钙钛矿薄膜中的非辐射复合损失。最终，所制备的带隙为1.65 eV的混合卤化物钙钛矿太阳能电池实现了21.38%的光电转换效率(PCE)并展现出优异的光照及热稳定性。

Fig. 1. (a) The molecular structure of IPR⁺ and side-view crystal structure of the 1D IPRPbI3 perovskite structure (the yellow octahedron indicates the [PbI₆]₄^- unit). (b) Schematic illustration of the perovskite phase converted from the control of compact PbX₂ films and target porous PbX₂films, respectively. Top-view and cross-sectional SEM images of (c) the control and (d) target PbX₂films. Top-view and cross-sectional SEM images of (e) the control and (f) target perovskite films. XRD patterns of (g) the control and target PbX₂films and (h) the control and target perovskite films. (i) UV-Vis-NIR absorption and steady-state PL spectra of the control and target perovskite films.

Fig. 2. Temperature-dependent PL spectra of (a) the control and (b) target perovskite films from 80 to 300 K. (c) Corresponding integrated PL intensity and fitting curves of Arrhenius equation. (d) TRPL spectra of the control and target perovskite films deposited on glass substrates. PL mapping images of (e) the control and (f) target perovskite films. (g) SCLC measurements of the electron-only devices. Normalized steady-state PL spectra of (h) the control and (i) target perovskite films under one-sun illumination at N₂ atmosphere for 0-96 h, respectively.

Fig. 3. (a) Calculated ESP profile of TFSI- anion. (b) Schematic diagram of TFSI- anions interact with perovskites. XPS spectra of (c) F 1s, (d) C 1s, (e) Pb 4f and (f) I 3d orbits of the control and target perovskite films. FTIR spectra of (g) FAI, IPR-TFSI and FAI mixed with IPR-TFSI and (h) IPR-TFSI and PbI2 mixed with IPR-TFSI.

Fig. 4. (a) Cross-sectional SEM image of the device. (b) The champion J-V curves and (c) PCE statistical distribution of the control and target PSCs. (d) EQE spectra and integral current densities of the champion control and target PSCs. (e) VOC versus light intensity curves of devices. (f) Mott-Schottky plots of devices at 10 kHz. (g) Steady-state photocurrent and PCE of the control and target PSCs measured near the maximum power point with a bias of 0.99 V and 1.05 V. (h) Thermal stability of the control and target PSCs in N₂ atmosphere at 85°C. (i) Light-soaking stability of the control and target PSCs under AM 1.5G one-sun illumination in N2 atmosphere.

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本文要点

要点一：首次提出1D相诱导的多孔卤化铅模板

已有的研究表明卤化铅倾向于形成2D层状结构。然而，这些2D层的堆叠仍然相对致密，会阻碍有机盐的扩散。为了解决这一问题，我们提出将IPR-TFSI引入卤化铅前体溶液中，IPR+阳离子诱导卤化铅八面体定向生长形成1D相，针状1D相的随机取向扩大了2D卤化铅晶体的层间距，增加了卤化铅薄膜的孔隙度，这有利于有机盐的充分扩散及卤化铅的完全转化。

要点二：多功能团阴离子协同钝化缺陷提高器件性能

TFSI-阴离子的-F和S=O官能团能够与钙钛矿相互作用，钝化未配位的Pb²⁺缺陷并抑制A位阳离子迁移，减少了钙钛矿薄膜中的非辐射复合损失。最终，所制备的带隙为1.65 eV的混合卤化物钙钛矿太阳能电池实现了21.38%的光电转换效率(PCE)并展现出优异的光照及热稳定性。

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文章链接

1D-phase-induced porous templates for efficient two-step-processed mixed-halide perovskite solar cells

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157647

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通讯作者简介

王洪强教授简介：西北工业大学教授，材料学院副院长，国家级领军人才，英国皇家化学会会士。2008年于中科院固体物理研究所获凝聚态物理专业博士学位，后分别在日本、德国、英国从事博士后研究工作。曾获国家海外高层次青年人才、德国洪堡学者、欧盟玛丽居里学者。长期从事先进能源与催化材料基础及应用研究，系统开展了纳米晶激光植入低碳能源器件研究工作，以第一/通讯作者在 Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Sci. Adv.、Nat. Commun.等材料领域国际重要期刊发表 SCI 论文130余篇，H因子51（Web of Science），授权中国、日本发明专利31件。

刘哲教授简介：2021年2月，全职加入西北工业大学材料学院，纳米能源材料中心，现任教授、博士生导师。此前，在美国麻省理工学院从事博士后研究工作，在新加坡-麻省理工学院联合研究中心担任研究员职务。主要科研方向为：基于材料信息学方法的光伏材料及器件研究。近五年，在光伏材料与工程领域，发表学术论文共三十余篇，如 Joule、Energy & Environ. Sci.、Matter等。研究成果受邀在重要国际学术会议上做报告10余次，申请美国专利两项。