ACS Energy Lett.┃刮涂法制备垂直排列的2D/3D混合相Pb-Sn钙钛矿

英文原题：Vertically Aligned 2D/3D Pb–Sn Perovskites with Enhanced Charge Extraction and Suppressed Phase Segregation for Efficient Printable Solar Cells

通讯作者：麦耀华，郭飞，暨南大学；刘宪虎，郑州大学

作者：Chaohui Li, Yamin Pan, Jinlong Hu, Shudi Qiu, Cuiling Zhang, Yuzhao Yang, Shi Chen, Xianhu Liu, Christoph J. Brabec, Mohammad Khaja Nazeeruddin, Yaohua Mai, and Fei Guo

可通过印刷加工的钙钛矿太阳能电池近年来发展迅速，实验室光电转换效率已攀升至25.2%。由于铅基钙钛矿的能量带隙可调范围相对较小，其理论效率限制于Shockley-Queisser辐射复合极限。窄带隙Pb-Sn混合钙钛矿由于带隙可调节至1.2 eV，为制备更高效率叠层电池提供了可能性。虽然Pb-Sn混合钙钛矿的效率近年来得到了快速提高，但广泛使用的旋涂制备方法和反溶剂结晶工艺无法满足未来大面积光伏组件的开发要求。暨南大学新能源技术研究院前期首次实现了基于刮涂法开发高质量Pb-Sn钙钛矿的薄膜制备工艺（图1），并进行了高效率器件组装（Nano Energy, 2019, 9, 104099）。

图1. 刮涂法制备Pb-Sn混合钙钛矿流程示意图。

近日，暨南大学麦耀华（点击查看介绍）团队和郑州大学材料成型及模具技术教育部重点实验室等单位合作继续在Pb-Sn钙钛矿太阳能电池领域取得重要进展。团队通过在Pb-Sn钙钛矿前驱体溶液中加入少量（3.75%）的4-氟苯乙基碘化铵（FPEAI），通过一步刮涂法制备了2D/3D混合相的Pb-Sn钙钛矿薄膜。研究表明，FPEAI的加入能诱导钙钛矿晶体定向垂直于衬底生长（图2），为光生载流子的提取提供了高效的通道，获得了28.42 mA cm^-2超高电流密度（E_g = 1.33 eV）。

图2. 经改性过的钙钛矿诱导晶体定向生长同时有效的抑制Pb/Sn相分离。

更为重要的是，该工作首次在Pb-Sn钙钛矿薄膜中观察到Pb/Sn相分离（图3），而经过优化生成的2D钙钛矿（1 ≤ n ≤ 4）能有效的抑制该相分离以及Sn²⁺的氧化。纯正的Pb-Sn合金相的存在抑制了缺陷导致的非辐射复合，电池的开路电压得到了80 mV的提升，并最终取得了17.51%的光电转换效率（图3）。此外，基于2D/3D混合相的Pb-Sn钙钛矿电池表现出更好的稳定性，在氮气氛围中搁置1200 h依旧保持90%的效率。

值得一提的是，虽然2D/3D混合相钙钛矿在纯Pb钙钛矿中得到了广泛的报道，被认为是解决钙钛矿稳定性瓶颈的一种有效方法，但是2D/3D的概念在Pb-Sn混合钙钛矿中却鲜有报道。本工作从薄膜制备工艺的优势（大面积刮涂法）、显著的效率进展，晶体的垂直定向生长以及首次发现的Pb-Sn钙钛矿相分离等方面取得实质性的进展。

图3. 3D和2D/3D电池的J-V特性曲线以及PL光谱。

近日，该成果发表在ACS旗下能源领域知名期刊ACS Energy Letters 上。郑州大学联合培养硕士李朝辉和郑州大学潘亚敏副教授为文章共同第一作者，麦耀华教授和郭飞研究员以及郑州大学刘宪虎教授为文章通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和广东省自然科学基金的支持以及郑州大学材料成型及模具技术教育部重点实验室开放项目的资助，同时得到了德国埃尔朗根-纽伦堡大学Christoph J. Brabec教授、洛桑联邦理工学院Mohammad Khaja Nazeeruddin教授的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Vertically Aligned 2D/3D Pb–Sn Perovskites with Enhanced Charge Extraction and Suppressed Phase Segregation for Efficient Printable Solar Cells

Chaohui Li, Yamin Pan, Jinlong Hu, Shudi Qiu, Cuiling Zhang, Yuzhao Yang, Shi Chen, Xianhu Liu*, Christoph J. Brabec, Mohammad Khaja Nazeeruddin, Yaohua Mai*, Fei Guo*

ACS Energy Lett., 2020, 5, 1386-1395, DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00634

Publication Date: April 3, 2020

Copyright © 2020 American Chemical Society

导师介绍

麦耀华

https://www.x-mol.com/university/faculty/60203

（本稿件来自ACS Publications）