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钙钛矿晶体的晶面极大地影响了其相应的光伏器件的性能和稳定性。与(001)晶面相比,(011)晶面表现出更好的光电特性,包括更高的电导率和增强的载流子迁移率。因此,实现(011)晶面暴露的钙钛矿薄膜是一种很有前途的提高器件性能的方法。然而,由于甲基氯化铵(MACl)添加剂的影响,FAPbI₃中(011)晶面的生长在能量上是不利的。这里,使用1-丁基-4-甲基吡啶氯化物(4MBPCl)暴露(011)晶面。[4MBP]⁺阳离子选择性地降低了(011)晶面的表面能,使(011)晶面得以生长。[4MBP]⁺阳离子使钙钛矿晶核旋转45°,使(011)晶面沿平面外方向堆叠。(011)面具有优异的电荷输运特性,可以实现更好的能级匹配。此外,[4MBP]Cl增加了离子迁移的活化能势垒,抑制了钙钛矿的分解。最终,基于暴露(011)晶面的小尺寸器件(0.06 cm²)和组件(29.0 cm²)分别实现了25.24%和21.12%的功率转换率。
Highly Efficient and Stable FAPbI₃ Perovskite Solar Cells and Modules Based on Exposure of the (011) Facet
Kai Zhang, Bin Ding, Chenyue Wang, Pengju Shi, Xianfu Zhang, Cheng Liu, Yi Yang, Xingyu Gao, Rui Wang*, Li Tao*, Keith G. Brooks, Songyuan Dai, Paul J. Dyson*, Mohammad Khaja Nazeeruddin* & Yong Ding*
Nano-Micro Letters (2023)15: 138
https://doi.org/10.1007/s40820-023-01103-8
1. (011)晶面具有良好的电荷输运特性,可以实现更接近的能级排列。
2. 通过利用(011)晶面,小尺寸器件(0.06 cm²)和组件(29.0 cm²)分别实现了25.24%和21.12%的功率转换效率。
钙钛矿晶体的晶面极大地影响了其相应的光伏器件的性能和稳定性。与(001)晶面相比,(011)晶面表现出更好的光电性能,包括更高的电导率和增强的载流子迁移率。因此,实现(011)晶面暴露的钙钛矿薄膜是一种很有前途的提高器件性能的方法。然而,由于甲基氯化铵(MACl)添加剂的影响,FAPbI₃中(011)晶面的生长在能量上是不利的。鉴于此,华北电力大学丁勇&瑞士洛桑联邦理工学院Paul J. Dyson & Mohammad Khaja Nazeeruddin&西湖大学王睿&湖北大学桃李团队发表了使用1-丁基-4-甲基氯化吡啶([4MBP]Cl)作为掺杂剂,暴露(011)晶面,制备高效稳定FAPbI₃钙钛矿太阳电池和组件的研究成果。暴露(011)晶面被证明可以显著提高钙钛矿薄膜的电荷传输能力,同时实现更好的能级匹配。此外,[4MBP]Cl通过减少钙钛矿薄膜中的缺陷和增加离子迁移的活化能势垒,极大地提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性。基于暴露(011)晶面的小尺寸器件(0.06 cm²)和组件(29.0 cm²)分别实现了25.24%和21.12%的功率转换率。
I 理论计算和模型分析
如图1a所示,将[4MBP]⁺阳离子分别放置在钙钛矿的(001)和(011)表面上,计算吸附能(Eads)。计算结果表明(|Eads, (001)|<| Eads, (011)|),[4MBP]⁺阳离子更倾向于吸附在(011)晶面。由于[4MBP]⁺阳离子提供的静电相互作用和空间位阻, [4MBP]⁺的选择性吸附会降低(011)晶面的表面能,从而减缓(011)平面的生长。如图1b所示,[4MBP]⁺的选择性吸附会改变钙钛矿核的取向。吸附在(011)晶面上的[4MBP]⁺的相互作用使钙钛矿晶核旋转45°。最终,(011)晶面将沿平面外方向堆叠,直接与电荷输运层接触。
图1. 计算及模型分析。(a)[4MBP]Cl吸附在钙钛矿(001)和(011)表面上的计算模型以及相应的吸附能;(b) [4MBP]Cl改变钙钛矿晶核的方向以暴露(011)晶面的机制示意图。
图2. [4MBP]Cl掺杂的FAPbI₃钙钛矿的结晶动力学和择优取向研究。(a)不含和(b)含4 mol% [4MBP]Cl 的FAPbI₃钙钛矿薄膜的原位同步辐射GIWAXS结果;(c)含不同浓度的[4MBP]Cl(0-4 mol%)的钙钛矿样品的XRD图;(d)不含与(e)含4 mol% [4MBP]Cl的二维GIWAXS图;(f) GIWAXS积分强度图,沿q值近似为10 nm-1绘制,对应不含和含有4 mol% [4MBP]Cl 的钙钛矿薄膜的(001)晶面。
图3. (011)晶面对载流子动力学的影响。(a)不含和(b)含0.5 mol%[4MBP]Cl FAPbI₃钙钛矿薄膜的C-AFM电流映射图像;(c)能级图;沉积在FTO/ETL衬底上的(d)不含和(e)含0.5 mol%[4MBP]Cl钙钛矿薄膜的PL映射图像;(f)在FTO/ETL衬底上沉积的不含和含有0.5 mol% [4MBP]Cl 的钙钛矿薄膜的TRPL光谱。
IV 光伏器件的性能和稳定性
图4. 光伏器件性能和稳定性。(a)不含和含0.5 mol% [4MBP]Cl的组件的PCE分布;(b)不含和含0.5 mol% [4MBP]Cl的组件的J-V曲线;(c)在最大功率点下,不含和含0.5 mol% [4MBP]Cl的器件在连续光照下的运行稳定性;(d)不含和(e)含[4MBP]Cl的MA⁺离子迁移的能量曲线,同时展示了在初始状态、过渡状态和最终状态结构的图片。
本文第一作者
本文通讯作者
▍主要研究成果
▍Email:dingy@ncepu.edu.cn
本文通讯作者
▍主要研究成果
▍Email:paul.dyson@epfl.ch