苏州大学王照奎AEM：三元两步顺序沉积诱导钙钛矿定向结晶用于高性能光伏器件- 大数跨境

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苏州大学王照奎AEM：三元两步顺序沉积诱导钙钛矿定向结晶用于高性能光伏器件

科学材料站

2021-06-25

导读：该文章提出了基于 FAMACs 的三元阳离子两步顺序沉积方法的概念，将醋酸铯 (CsAc) 加入碘化铅 (PbI2) 前体中，生成 CsPbI3 晶核，从而改善钙钛矿的进一步结晶

文章信息

三元两步顺序沉积诱导钙钛矿定向结晶用于高性能光伏器件

第一作者：陈春浩

通讯作者：王照奎*，娄艳辉*，高兴宇*

单位：苏州大学，上海光源

研究背景

钙钛矿太阳能电池在过去十年中经历了快速发展，其最高功率转换效率已达到25.5%，显示出进一步改进的巨大潜力。

目前，大多数高效钙钛矿太阳能电池是由FAPbI3基钙钛矿材料使用一步反溶剂滴注沉积或两步顺序制备方法制备的。与一步反溶剂法的无序结晶相比，两步顺序沉积法预先生成碘化铅晶核，并导致钙钛矿薄膜按一定的垂直方向结晶，使钙钛矿晶体生长更加规则有序。但是，由于两步顺序沉积反应时间短，不可避免地会导致钙钛矿形成反应不完全，从而使钙钛矿薄膜产生许多缺陷和孔洞，导致非辐射复合。

同时，顺序沉积法制备的器件大多是二元阳离子钙钛矿（FAMA-based）。自然地，我们通过尝试制造三元阳离子钙钛矿使其A位引入铯离子。合理的铯离子半径可以调节钙钛矿晶格的容忍因子，稳定钙钛矿的晶体结构。

文章简介

本文中，来自苏州大学的王照奎教授与上海光源的高兴宇教授合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Ternary Two-Step Sequential Deposition Induced Perovskite Orientational Crystallization for High-Performance Photovoltaic Devices”的研究文章。

该文章提出了基于 FAMACs 的三元阳离子两步顺序沉积方法的概念，将醋酸铯 (CsAc) 加入碘化铅 (PbI2) 前体中，生成 CsPbI3 晶核，从而改善钙钛矿的进一步结晶。

当基于 FAMA 的有机胺盐溶液旋涂在 PbI2 基板上时，醋酸离子将向上移动并诱导钙钛矿定向和均匀结晶，这可以进一步实现垂直柱状晶粒，导致更少的缺陷和更高的光伏效率。

改善后的电池在AM1.5G下的最佳室外转换效率达到了21.50%，室内1000 lux光强下效率达到40.99%。这项工作为进一步探索三元阳离子两步顺序沉积方法制备高性能钙钛矿光伏器件打下了基础。

图 1. a) 钙钛矿薄膜的两步顺序制造方法示意图。在旋涂 FAI 溶液后的第一个退火步骤后，钙钛矿薄膜 b) 未使用和 c) 使用 CsAc 处理后的俯视 SEM 图像。钙钛矿薄膜 d) 未使用和 e) 使用 CsAc 处理的在空气中退火后的俯视 SEM 图像。

本文要点

钙钛矿太阳能电池（PSCs）在过去十年中经历了快速发展。与一步反溶剂滴注法无序结晶相比，顺序沉积法使得PbI2晶核预生成，并带来一定的垂直方向钙钛矿晶体生长，使钙钛矿薄膜结晶更加规则有序。此前，采用顺序沉积法制备的器件大多为二元阳离子钙钛矿（FAMA-based perovskite）。

在此，我们提出了基于FAMACs的三元两步顺序沉积法的概念。这项工作的创新点总结如下：

(1) 首先，我们通过将醋酸铯 (CsAc) 掺入 PbI2 前驱体中来实现这一目的，利用简单的制备方式生成了 CsPbI3 晶核，从而改善了钙钛矿的进一步结晶。

(2) 其次，当有机胺盐溶液旋涂在基板上时，醋酸离子的向上移动会诱导钙钛矿定向均匀结晶，进一步使垂直柱状晶粒实现薄膜更少的缺陷和器件更高的光伏效率。

图 2. a) 未使用和 b) 使用 CsAc 处理在 q = 10 nm-1方位角积分散射强度的 2D 图，以及相应的 3D 绘图：c) 未使用和 d) 使用CsAc 处理。e) 未使用和 f) 使用CsAc 处理的2D 晶体取向示意图。

(3) 最后，基于三元两步顺序沉积的钙钛矿太阳能电池的最佳室外和室内效率分别为 21.50% (AM1.5G) 和 40.99% (1000 lux)。特别地，40.99% (1000 lux) 的室内性能是已被报道的薄膜光伏器件最高效率。

图 3. a) 在强度为 100 mW/cm2 的 AM1.5G 照射下测量的最佳 PSCs 器件的 J-V 曲线；b) PCE 的效率分布直方图和 c) IPCE 光谱。d) 在未封装的情况下，器件效率衰减对比。e) 在 1000 lux 下测量的器件室内 J-V 曲线。

文章链接

Ternary Two-Step Sequential Deposition Induced Perovskite Orientational Crystallization for High-Performance Photovoltaics

https://doi.org/10.1002/aenm.202101538

通讯作者介绍

王照奎，教授、博士生导师。

研究领域主要围绕钙钛矿半导体光电器件与物理，开展有钙钛矿太阳能电池（PV）和发光二极管（LED）的研究工作，主要包括：（1）钙钛矿半导体器件：钙钛矿薄膜的低成本成膜工艺、晶化动力学调控，以及高性能钙钛矿太阳能和发光二极管的器件工艺与制备；（2）钙钛矿半导体物理：钙钛矿半导体材料与器件的基础物性分析、界面物理、载流子输运过程以及缺陷机制与钝化策略研究。

主要成果和技术贡献：近年来围绕PSC与LED器件的表界面调控和器件物理开展了创新性研究工作。从器件物理、结构设计以及器件制备的角度，在理论上研究影响薄膜晶化动力学过程以及表界面能量输运的关键机制，在实践上探索表界面调控以及有机/无机半导体掺杂的有效途径，在薄膜的晶化控制、表界面形貌调控以及高性能器件的应用制备方面取得了一系列创新性研究成果。以第一作者/通讯作者在Science（1 篇）、Adv. Mater.（9 篇）、J. Am. Chem. Soc.（3篇）、Joule (1篇) 、Adv. Energy Mater.（8 篇）、Adv. Funct. Mater.（6 篇）、Nano Lett.（2 篇）、ACS Nano（2 篇）、Appl. Phys. Lett.（18 篇）等发表论文100余篇，论文被引用6000余次，H-index = 42 (Google Scholar)。已获授权发明专利18项，技术转让1项。主持和参与国家自然科学基金青年/面上/集成项目、江苏省自然基金青年/优秀青年项目、国家重点专项基金等10余项。

第一作者介绍

论文第一作者为硕士研究生陈春浩。