Resolving Mixed Intermediate Phases in Methylammonium‑Free Sn–Pb Alloyed Perovskites for High‑Performance Solar Cells

Zhanfei Zhang, Jianghu Liang, Jianli Wang, Yiting Zheng, Xueyun Wu, Congcong Tian, Anxin Sun, Zhenhua Chen, Chun‑Chao Chen*

Nano-Micro Letters (2022)14: 165

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00918-1

1. 本研究主要解决无甲胺(FA-Cs)Sn-Pb钙钛矿体系中多组分混合中间相的问题，其单结和叠层太阳能电池器件分别实现了21.61%和23.82%的新记录效率。

2. 添加剂D-高丝氨酸内酯(D-HLH)可加速混合中间相向预形核钙钛矿晶核的转变。

3.D-HLH的存在消除了混合中间相的负面影响并调节了无甲胺Sn-Pb钙钛矿薄膜材料的结晶动力学。

深入了解无甲胺混合Sn-Pb钙钛矿薄膜的制备过程对晶体结构及结晶过程具有重要意义。如图1所示。经反溶剂处理后，中间相薄膜呈深褐色，表面异常粗糙且不平整，其XRD谱表明中间相薄膜中含有中间相加和物及钙钛矿相。此外，退火后的薄膜呈显著的褶皱表面，这是由各组分元素(CsI₂⁻, FA⁺, SnI3⁻, 及PbI₂⁻)分布不匀称，薄膜整体结晶较差。经D-HLH添加剂处理后，深棕色中间相薄膜光滑均匀，其XRD谱表明中仅含有钙钛矿相，退火后的薄膜表面光泽如镜面，各组分元素分布匀称，薄膜结晶质量很高。

图1. (a)和(d) D-HLH改性前后钙钛矿薄膜的制备过程及相应中间相薄膜的XRD谱；(b)和(e)D-HLH改性前后钙钛矿薄膜中各元素含量在纵向累积的ToF-SIMS谱；(c)和(f)D-HLH改性前后钙钛矿薄膜的SEM图及对应的GIWAXS谱图。

II 加速预形成钙钛矿晶核

动态光散射测试表明，在添加D-HLH后，钙钛矿前驱溶液中胶体粒子的粒径由4.5 nm增至76.1 nm，意味着D-HLH的添加可产生预形核团簇，降低形核势垒。钙钛矿溶液的反溶剂萃取实验表明，D-HLH有效降低了前驱溶液中钙钛矿相的过饱和浓度。XPS及FTIR谱表面，D-HLH与钙钛矿各组分之间均有相互作用，而且D-HLH有效抑制了Sn2⁺的氧化过程，薄膜中Sn⁴⁺含量显著下降。

图2. (a) D-HLH改性前后钙钛矿前驱溶液胶体颗粒大小分布的DLS谱图；(b)和(c)在有/无D-HLH添加的钙钛矿溶液中进行反溶剂萃取实验过程；(d)萃取所得上层溶液的PL光谱；D-HLH添加前后钙钛矿薄膜中各元素的XPS谱图(e)Pb 4f和Sn 3d，(f)O 1s，(g)Sn 3d5/2。

III 平衡成核和结晶过程

原位PL谱是研究晶体形核和结晶的有力工具之一，如图3(a)，3(b)，3(e)和3(f)。经反溶剂处理后的对照组薄膜在放置500 s后在约1000 nm处开始出现钙钛矿相的PL峰，而相应的D-HLH处理后的薄膜则在初始前100 s内就开始出现这样的钙钛矿相。此外，对照组薄膜在退火约250 s左右出现较高的钙钛矿相峰，而相应的D-HLH处理后的薄膜则在刚开始退火瞬间便出现很强的钙钛矿相峰。由此可见，D-HLH加速了钙钛矿相的预成核过程，消除了多种类的中间相组分，实现了由钙钛矿晶核到钙钛矿多晶薄膜的形核结晶过程。此外，ToF-SIMS和TEM/HRTEM及EDS表明D-HLH均匀分布在钙钛矿薄膜内部。结合上述表征过程，图3(l)给出了D-HLH改性前后薄膜的详细形核及结晶过程。

图3. D-HLH改性前((a)和(b))改性后((e)和(f))中间相薄膜分别放置及退火不同时间的PL谱图；D-HLH改性前((c)和(d))改性后((g)和(h))钙钛矿薄膜的ToF-SIMS谱图；D-HLH改性后钙钛矿薄膜的(i)TEM图，(j)HRTEM图，及对应(k)EDS谱图；(l)D-HLH改性前后薄膜结晶过程机理图。

为了验证D-HLH对钙钛矿薄膜的改性作用，制备并优化了D-HLH改性前后的单结及叠层钙钛矿太阳能电池。器件结构分别如图4(a-b)和4(g)所示。经D-HLH改性后，单结器件的光伏效率由14.51%提升至21.61%，其中开路电压由0.77 V增加至0.88 V，填充因子由69.13%增加至80.36%。此外，叠层器件的光伏效率也达到23.82%。

对D-HLH改性前后的钙钛矿薄膜进行AFM和KPFM测试，结果如图5(a-f)所示，与对照组相比，经D-HLH处理后的薄膜表面，除表面晶界减少且表面晶粒显著增大外，其晶界与晶面呈现与対照组相反的接触电势差，这表明D-HLH还可钝化钙钛矿表面内晶界缺陷。此外，其他的半导体性能测试结果(如图5(g-l))也同样表明，经D-HLH处理后的钙钛矿薄膜，其内部缺陷浓度显著降低，这都有利于器件光伏性能的提升。

图6. (a-c)和(g)D-HLH改性前后钙钛矿薄膜及器件的热稳定性测试；(d-f)和(h)D-HLH改性前后钙钛矿薄膜及器件的湿稳定性测试；(i)D-HLH改性前后钙钛矿器件的自身稳定性测试；(j)D-HLH改性前后钙钛矿器件的光稳定性测试；(k)D-HLH改性前后叠层器件的自身稳定性测试。

张占飞

本文第一作者

上海交通大学 博士研究生

▍主要研究领域

窄带隙混合锡铅钙钛矿及叠层太阳能电池。

陈俊超

本文通讯作者

上海交通大学 特别研究员

▍主要研究领域

从事太阳能电池、柔性电子器件、及纳米材料等相关研究。

▍Email：c3chen@sjtu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部