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[转载]ACS NANO: 中国科学院宁波材料所樊细、宋伟杰团队的窄带隙光伏电池研究

已有 307 次阅读 2024-11-11 11:26 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

N,N′-羰基二咪唑处理实现21%效率柔性Sn-Pb钙钛矿太阳能电池

柔性锡铅(Sn-Pb)混合钙钛矿太阳能电池(PSCs)是有前途的柔性光伏器件之一，这归因于Sn-Pb钙钛矿的窄带隙(NBG)，柔性和可穿戴特性，以及全钙钛矿叠层光伏中作为关键组件的作用。然而，柔性Sn-Pb PSCs的能量转换效率较低，不超过18.5%，且稳定性较差。鉴于此，2024年10月30日，宁波材料所宋伟杰&樊细等人于ACS nano刊发使用N,N′-羰基二咪唑处理的柔性窄带隙Sn-Pb钙钛矿太阳能电池实现21%的效率的最新研究成果。该研究报道了一种基于N,N′-羰基二咪唑(CDI)钝化策略的高效稳定的柔性NBG Sn-Pb PSC。CDI具有较强的吸附能，与氧气(O₂)相比，优先与Sn²⁺结合，从而有效抑制O₂在钙钛矿表面的吸附。Sn²⁺周围的电子密度转移急剧减少，从而抑制了Sn2+的氧化。CDI处理使Sn-Pb混合薄膜具有更少的缺陷、更好的结晶性、更好的形貌和匹配的能级排列。柔性Sn-Pb器件的PCE高达21.02%。此外，器件表现出增强的稳定性和提升的柔韧性。这项工作为显著提高柔性Sn-Pb混合光伏电池的效率和稳定性提供了一条途径。

锡铅(Sn-Pb)混合钙钛矿太阳能电池(PSCs)由于其突出的优点而受到关注，包括窄带隙(NBGs < 1.3eV)用于近红外光利用，高功率转换效率(PCE)，以及广泛集成到包括所有钙钛矿种类和有机-钙钛矿种类的叠层太阳能电池中。柔性钙钛矿钝化策略可以促进柔性单结NBG PSCs和柔性叠层光伏器件适应于可穿戴、便携式和建筑一体化光伏。然而，冠军柔性NBG Sn-Pb PSCs迄今为止表现出了18.5%的最高PCE，仍然远远落后于在玻璃衬底上制备的刚性Sn-Pb混合PSCs的(23.1%、23.3%、23.6%、和24.1%)。尽管Sn-Pb柔性叠层全钙钛矿光伏器件获得了24.7% (平均值为23.8%)的最大PCE，但是Sn-Pb柔性叠层全钙钛矿光伏器件的短路电流密度(J_SC)仅为16.1 mA cm^-2，这将极大地限制柔性叠层全钙钛矿光伏器件的PCE。除了适中的PCE外，柔性Sn-Pb混合PSCs的稳定性也不令人满意，并且很少有工作关注这些柔性Sn-Pb混合PSCs的空气稳定性和操作稳定性。因此，开发高性能的柔性NBG Sn-Pb基光伏电池迫在眉睫。

最近，人们通过添加工程钝化钙钛矿并桥接界面和边界来提高柔性Sn-Pb基光伏电池的PCE。例如，Pious等人通过在钙钛矿前驱体中添加氟化锡(SnF₂)，制备了柔性的Sn-Pb混合光伏电池，得到了织构化的Sn-Pb混合薄膜。SnF2易被氧化，生成SnO1.2F(0.2~0.5)。减少了价带(VB)边缘态的电子缺陷和界面处电荷的复合。最佳的柔性Sn-Pb PSC在反向扫描(前向扫描下的Δ为17.6 %)下获得了18.5%的PCE，其开路电压(VOC)为0.819 V，填充因子(FF)为78.7 %，JSC为28.7 mA cm^-2。Li等人通过N，N -二甲基丙烯酰胺(DMAA)添加剂处理制备了优化的柔性Sn-Pb光伏电池。DMAA处理导致钙钛矿的结晶度提高和缺陷减少。最佳柔性Sn-Pb PSCs的VOC为0.74 V，FF为75.87%，JSC为27.50 mA cm^-2，效率为15.44%。在弯曲半径(r)为5 mm时，柔性Sn-Pb PSCs在5000次弯曲测试中保留了初始效率的80%，这是因为聚合物牢固地锚定了晶界。遗憾的是，这些光伏参数( VOC、JSC、FF)还不足以实现高效的柔性Sn-Pb PSCs。为了促进柔性NBG钙钛矿太阳能电池的真正适应，有必要大幅提高柔性NBG钙钛矿太阳能电池的光伏性能，同时探索柔性Sn -Pb混合钙钛矿太阳能电池性能提升的潜在机制。

为了在热塑性聚合物衬底上制备高性能的Sn-Pb基钙钛矿活性层，需要通过缺陷少的晶体生长、抑制Sn2+氧化、残余应变弛豫和能级排列的协同调控来实现。柔性Sn-Pb PSCs的PCE不理想与所使用的热塑性聚合物衬底有关。热塑性材料聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)通常被用作每个柔性太阳能电池的底层基板。由于聚合物材料固有的热塑性特性，杨氏模量< 4×10³ MPa，玻璃化转变温度为80 ℃，在热退火过程中容易发生相变，导致钙钛矿的热均匀性较差，生长质量较差。NBG光伏电池较低的PCE和有限的稳定性也是由不良的缺陷和结晶性、Sn2 +氧化、大的残余应变和劣质分布、无序异质结、钙钛矿能级不匹配、等因素造成的。首先，在铸态钙钛矿薄膜中存在着不可避免的Pb2+和Sn2+不配位的结构缺陷。缺陷位点捕获光生电荷载流子，造成能量损失。它们也会吸附水、氧气(O2)和其他物质，导致钙钛矿晶体的破坏性降解。然后，在热退火过程中含Sn钙钛矿薄膜的快速结晶导致基体和钙钛矿表面容易形成缺陷。同时，Sn2+容易发生氧化，导致严重的p型掺杂。此外，Sn-Pb基薄膜与热塑性衬底的热膨胀系数不匹配导致晶格应力，较大的残余应变加速了钙钛矿晶体的分解，从而导致较差的器件稳定性。最后，电子传输材料与钙钛矿之间最低未占据分子轨道(ELUMO)最小值的匹配允许更多的电子转移，而空穴传输层(HTL)与钙钛矿之间最高占据分子轨道(EHOMO)最大值的大偏移阻碍了空穴转移。因此，在热塑性聚合物衬底上实现Sn-Pb基钙钛矿的晶体生长、抑制Sn2+氧化、应变弛豫和能级对准等协同调控，可实现高效、高稳定性的柔性Sn-Pb PSC。

在本文中，作者使用N，N′-羰基二咪唑(CDI)钝化策略，展示了一种高效稳定的柔性NBG Sn-Pb PSC。CDI具有很强的配位能力，由于其路易斯碱的性质，抑制了Sn2+的氧化，从而抑制了Sn空位的形成。CDI处理使Sn-Pb混合薄膜具有更好的生长质量，其形貌更好，结晶度更高，缺陷更少。此外，CDI处理导致了良好的能级排列，并缓解了均匀分布的钙钛矿薄膜的残余应变。所制备的柔性NBG Sn-Pb器件获得了21.02%的最高效率。此外，优化后的柔性Sn- Pb PSCs表现出增强的运行、存储和空气稳定性以及改善的柔韧性，进一步证明了CDI钝化策略的优势。这项工作指导了柔性NBG Sn-Pb钙钛矿光伏电池的继续发展。