成都理工大学段玉伟副研究员、陕西师范大学刘治科教授和刘生忠教授AM：原位合成低维钙钛矿用于效率>25%的稳定无甲胺钙钛矿太阳电池- 大数跨境

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成都理工大学段玉伟副研究员、陕西师范大学刘治科教授和刘生忠教授AM：原位合成低维钙钛矿用于效率>25%的稳定无甲胺钙钛矿太阳电池

科学材料站

2024-03-29

导读：成都理工大学段玉伟副研究员、陕西师范大学刘治科教授和刘生忠教授 Advanced Materials研究论文：原位合成低维钙钛矿用于效率>25%的稳定无甲胺钙钛矿太阳电池

文章信息

原位合成低维钙钛矿用于效率>25%的稳定无甲胺钙钛矿太阳电池

第一作者：李永

通讯作者：段玉伟*，刘治科*，刘生忠*

单位：陕西师范大学，成都理工大学

研究背景

钙钛矿太阳能电池因其持续提升的光电转化效率和稳定性越来越受到产业界和学术界的关注。有机无机杂化钙钛矿太阳电池的认证光电转化效率已超过26%，且其实验室运行稳定性已超越数千小时。但是，缺陷引起的电荷重组损失、不匹配的能带排列导致电荷转移势垒、湿度敏感性导致钙钛矿薄膜的拓扑稳定性差等问题给实现理论极限效率（33%）和获得优异商业化稳定性带来了严峻的挑战。开发有效调控钙钛矿结晶动力学的添加剂，以优化钙钛矿薄膜的光电性能，对于获得高效稳定的钙钛矿太阳能电池（PSCs）至关重要。

文章简介

近日，来自成都理工大学的段玉伟副研究员与陕西师范大学的刘治科教授和刘生忠教授合作，在国际顶级期刊Advanced Materials上发表题为“In-Situ-Synthesized Low-Dimensional Perovskite for >25% Efficiency Stable MA-Free Perovskite Solar Cells”的研究文章。本文在钙钛矿前驱体溶液中引入丁-3-炔-1-胺盐酸盐(BAH)，巧妙利用BAH与碘化甲脒(FAI)的加成反应，原位直接合成了一种新型添加剂BAH2。BAH2可以控制中间前驱相，调控钙钛矿成核，形成有利的二维钙钛矿，诱导钙钛矿沿首选取向[001]生长，不仅释放晶格应变，而且与钙钛矿强相互作用，钝化其表面缺陷。通过利用上述协同效应，优化后的PCE效率达到25.19%，开路电压（VOC）高达1.22 V。此外，该器件表现出良好的稳定性，在环境大气条件下60天，85°C高温200小时，最大功率点（MPP）跟踪500小时，功率转换效率（PCE）保持在初始值的90%以上。

Scheme 1. the proposed route of the reaction between BAH and FAI in precursor solution.

Figure 1. The XPS spectra of control and BAH-treated perovskite films: a) Pb 4f, b) N 1s and c) I 3d. The FTIR spectra of d) BAH and BAH + PbI₂films, and e) FAI, BAH + FAI, and BAH films. The XPS spectra for PbI₂, BAH + PbI₂ and BAH + FAI + PbI₂films: f) Pb 4f and g) I 3d. h) The XPS spectra of N 1s for BAH + PbI₂and BAH + FAI + PbI₂films. i) The FTIR spectra of BAH, BAH + PbI₂and BAH + FAI + PbI₂films.

Figure 2. a) Photographs of the precursor perovskite film after annealing for different times. b) Images of the nucleation and crystal growth process of control and BAH-treated perovskite films under a fluorescent microscope. c) The XRD patterns and d) GIWAXS images of control and BAH-treated perovskite films. e) TEM image of BAH-treated perovskite crystal. f) Top-view SEM images of control and BAH-treated perovskite films.

Figure 3. a) The TA spectra of control and BAH-treated films and b) the carrier-transfer dynamics in BAH-treated film. c) Schematic diagram of the nucleation and crystallization for control and BAH-treated perovskite films.

Figure 4. a) GIXRD spectra of control and BAH-treated perovskite films at different slant angles, and b) linear fit of 2θ-sin2φ for the control and BAH-treated perovskite films. c) The water contact angles of control and BAH-treated perovskite films at different times. d) Photographs of control and BAH-treated perovskite films ageing in air with RH of 85% and corresponding XRD patterns for e) control and f) BAH-treated perovskite films.

Figure 5. a) The steady-state PL and d) TRPL spectra of control and BAH-treated perovskite films on glass substrate. b) The steady-state PL and e) TRPL spectra of control and BAH-treated perovskite films on FTO/SnO₂ substrate. c) The steady-state PL and f) TRPL spectra of control and BAH-treated perovskite films with Spiro-OMeTAD spin-coated on the incident side.

Figure 6. a) The energy-level diagram of the perovskite device. b) The J-V and c) EQE curves of control and BAH-treated PSCs. d) The statistical box charts of PCE, e) stabilized power output and f) Mott–Schottky plots of control and BAH-treated PSCs. The control and BAH-treated PSCs ageing g) in air with RH of 30 ± 5% and h) at 85 °C in nitrogen. i) The MPP tracking of encapsulated control and BAH-treated PSCs under continuous light illumination (100 mW cm^-2) with RH 30 ± 5% for 500 h.

文章链接

In-Situ-Synthesized Low-Dimensional Perovskite for >25% Efficiency Stable MA-Free Perovskite Solar Cells

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202310711

通讯作者简介

段玉伟副研究员简介：2020年博士毕业于四川大学化学学院，博士师从彭强教授（国家杰青，俄罗斯自然科学院外籍院士），随后在西安交通大学化学学院从事研究助理工作，2021年加入陕西师范大学新能源高等研究院从事博士后研究工作。2023年加入成都理工大学，现为材料与化学化工学院副研究员。长期从事光伏材料与器件的研究工作在SCI源期刊发表学术论文50余篇，第一/通讯作者论文30余篇，包括影响因子10.0以上20余篇：Advanced Materials 5篇、Angewandte Chemie International Edition 1篇、Advanced Energy Materials 4篇、Advanced Functional Materials 5篇等，累计6篇入选ESI热点/高被引论文，被引用近2000余次，H-Index 21。担任Energy Materials青年编委，获得四川省自然科学一等奖一项。

刘治科教授简介：陕西师范大学教授，博士毕业于香港理工大学，现为材料科学与工程学院副院长，主要研究方向是新型薄膜太阳电池，在Chemical Society Review、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Materials Today、Nano-Micro Letters等国内外权威期刊发表相关论文90多篇，其中16篇论文属于ESI高被引用，引用共计10000余次，H因子51。获批发明专利20余项。其中多项研究成果被Materials Views、X-MOL、能源学人和知光谷等多个国内资讯平台亮点报道；也被环球网、凤凰资讯网、中国百科网和网易新闻等多家媒体报道。担任Nano-Micro Letters，Materials & Design等期刊的青年编委和科创中国西安智库专家，获得陕西高等学校科学技术研究优秀成果一等奖、加拿大首届国际发明创新大赛（iCAN）金奖，第五届中国科协优秀论文奖，第29届国际光伏科学与工程会议（PVSEC-29）最佳报告奖和《Light：Science & Applications》年度高被引论文奖。

刘生忠教授简介：陕西师范大学-中国科学院大连化学物理研究所共聘教授。1983年毕业于陕西师范大学，获理学学士学位；1986年毕业于兰州大学化学系，获理学硕士学位；1992年在美国西北大学（Northwestern University）获博士学位。1992-2011年间，先后在美国Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）、Solarex、BP Solar、United Solar从事研究工作。2012年起回国工作，任中国科学院大连化学物理研究所洁净能源国家实验室太阳能部副部长、陕西师范大学新能源高等技术研究院院长、陕西省能源新材料与器件重点实验室主任、陕西省能源新技术工程实验室主任。研究领域集中在太阳能电池、钙钛矿单晶材料、纳米材料、薄膜材料、光电功能材料、激光表面处理和光伏技术的开发、放大和生产。担任Advanced Science、Journal of Energy Chemistry和Next Energy期刊（Elsevier）顾问编委，Advanced Functional Materials专刊编辑，Nano Select副主编；Scientific Reports、Nanomaterials编委等。在Science、Nature、Nat. Commun.、Joule、JACS、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Angew. Chem.等国际著名期刊发表SCI论文300余篇。

荣获中国侨界贡献奖、中科院优秀导师奖，入选全球顶级2%科学家榜单、RSC（英国皇家化学会）“Top 1%高被引中国作者”和科睿唯安（Clarivate Analytics）“全球高被引科学家”榜单。H-index 95，i10-index >300。获国际和中国授权专利六十余项。参与承担国家重点研发计划，基金委重点项目集成项目，中国科学院先导专项、省部委重大重点项目和企业项目等。

第一作者简介

李永，陕西师范大学在读博士研究生，以第一作者发表SCI学术论文4篇，包括Adv. Mater. 2篇、Adv. Energy Mater. 1篇、Science China of Chemistry. 1篇。研究方向为有机无机杂化钙钛矿太阳电池。