鈣鈦礦太陽能電池由于其制作工藝簡單、成本低、光電性能優(yōu)異，成為光伏領(lǐng)域的研究熱點。過去十年，鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展迅猛，目前最高效率達到25.5%。但是，鈣鈦礦太陽能電池的效率依舊低于理論值，并且穩(wěn)定性低。溶液加工和退火過程使得鈣鈦礦多晶薄膜產(chǎn)生多種缺陷，不僅引起載流子非輻射復(fù)合造成開路電壓損失，還會引發(fā)鈣鈦礦分解降低器件穩(wěn)定性。相比于體相，鈣鈦礦缺陷主要分布在界面上。因此，通過鈍化界面缺陷制備高效率、高穩(wěn)定性鈣鈦礦太陽能電池具有重要研究意義。近期，華僑大學(xué)吳季懷教授課題組采用合成的吡啶碘鹽（PyI）來鈍化三元鈣鈦礦[Cs0.05(MA0.17FA0.83)0.95Pb(I0.83Br0.17)3]的界面缺陷，獲得高效率、高穩(wěn)定性的平面結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池。吡啶碘鹽在異丙醇溶液中解離成陽離子（Py+）和陰離子（I-），旋涂于退火后的鈣鈦礦晶體界面上發(fā)生反應(yīng)，可以同時鈍化鈣鈦礦表面帶正電的缺陷和帶負(fù)電的缺陷。他們還采用只能鈍化負(fù)電性缺陷的路易斯堿——吡啶（Py）作為鈍化劑進行比較。經(jīng)過實驗優(yōu)化，吡啶碘鹽（PyI）鈍化后的鈣鈦礦界面缺陷態(tài)密度大大降低，器件最優(yōu)效率為21.42%，磁滯效應(yīng)幾乎消除，與此同時，器件穩(wěn)定性明顯提高。相比于此，空白組鈣鈦礦光伏器件最高效率僅為18.83%，而吡啶（Py）鈍化的器件效率僅提升到20.37%。該論文“Surface passivation using pyridinium iodide for highly efficient planar perovskite solar cells”發(fā)表在Journal of Energy Chemistry 期刊上，第一作者為華僑大學(xué)博士生杜怡恬。研究者使用吡啶碘鹽（PyI）鈍化鈣鈦礦太陽能電池：（1）將預(yù)先合成的吡啶碘鹽溶解在異丙醇溶液中；（2）將退火后的鈣鈦礦薄膜冷卻至室溫；（3）將吡啶碘鹽溶液旋涂在鈣鈦礦晶體薄膜上，并立刻放置于100 ℃加熱臺上退火10分鐘。吡啶（Py）鈍化采用同樣的方法。圖1. 原理說明（a）器件結(jié)構(gòu)示意圖，（b）鈍化機理示意圖，（c）Pb 4f和（d）C 1s XPS精細(xì)譜圖。鈣鈦礦退火過程中碘甲胺（MAI）容易揮發(fā)，從而在鈣鈦礦界面和晶界處形成大量的MA+和I-空位，Py+和I-可以分別鈍化負(fù)電性和正電性缺陷，如圖1（b）。PyI/Py鈍化界面后，鈣鈦礦表面形貌發(fā)生改變，并且表面粗糙度得到改善（圖2）。圖2. 形貌表征（a）空白組（b）PyI鈍化組（c）Py鈍化組SEM圖；（c）空白組（d）PyI鈍化組（e）Py鈍化組AFM圖。PyI鈍化后的器件最高效率為21.42%（開路電壓：1.187 V），Py鈍化后的為20.37%，空白組器件僅達到18.83%。他們通過空間電荷限制電流（SCLC）測試表征器件的缺陷態(tài)密度，證明PyI是優(yōu)異的界面缺陷鈍化劑。在穩(wěn)定性測試中，PyI鈍化器件具有最佳穩(wěn)定性。
圖3. 器件性能及部分電化學(xué)表征（a）J-V效率；（b）穩(wěn)定性；（c）空白組和（d）PyI鈍化組缺陷態(tài)表征。綜上所述，這項工作通過簡單的界面處理，使用兩性離子分子吡啶碘鹽（PyI）有效鈍化了鈣鈦礦表面的缺陷，提高了鈣鈦礦太陽能電池器件的效率和穩(wěn)定性。Surface passivation using pyridinium iodide for highly efficient planar perovskite solar cells.
Yitian Du, Jihuai Wu, Xinpeng Zhang, Qianjin Zhu, Mingjing Zhang, Xuping Liu, Yu Zou, Shibo Wang, Weihai Sun.
Journal of Energy Chemistry, 2021 52：84-91.
DOI: 10.1016/j.jechem.2020.04.049.
吳季懷：華僑大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師?，F(xiàn)任環(huán)境友好功能材料教育部工程研究中心主任、福建省光電功能材料重點實驗室主任、華僑大學(xué)材料物理化學(xué)研究所所長，主要研究領(lǐng)域包括染料敏化太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池、光催化納米插層材料、超級電容器等光電材料和器件。在相關(guān)領(lǐng)域取得顯著的研究成果，是Clarivate交叉學(xué)科全球高被引科學(xué)家，Elsevier材料學(xué)科中國高被引學(xué)者，RSC綜合化學(xué)類Top 1%中國
