ACS Energy Lett.┃揭示宽带隙钙钛矿电池中离子迁移与开路电压损失之间的联系

英文原题：Arylammonium-Assisted Reduction of Open Circuit Voltage Deficit in Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells: The Role of Suppressed Ion Migration

通讯作者：Zhaoning Song，托莱多大学；Yanfa Yan托莱多大学

作者：Cong Chen, Zhaoning Song, Chuanxiao Xiao, Rasha A. Awni, Canglang Yao, Niraj Shrestha, Chongwen Li, Sandip Singh Bista, Yi Zhang, Lei Chen, Randy J. Ellingson, Chun-Sheng Jiang, Mowafak Al-Jassim, Guojia Fang and Yanfa Yan

随着钙钛矿电池制备技术及工艺的不断进步，其单结认证效率已经达到25.2%。然而为了突破Shockley-Queisser极限，基于钙钛矿的叠层器件应运而生。叠层器件中包含宽带隙钙钛矿吸光层和窄带隙吸光层如硅、锡铅混合钙钛矿吸光层等，其中宽带隙钙钛矿器件目前存在高的开路电压损失，离子迁移引发的相分离现象等问题。尽管已有相关报道解决这些问题，如用烷基/苯基铵盐处理钙钛矿表面，但是其内部的机理却未完全揭示出来，一般将性能的提升归因于缺陷的钝化。因此深入去研究宽带隙钙钛矿的离子迁移行为并揭示与开路电压、相分离之间的联系是目前研究中所要关注的。

近日，托莱多大学鄢炎发教授（点击查看介绍）团队从微观与宏观角度揭示了宽带隙钙钛矿中的离子迁移行为并计算其迁移势垒；进而通过苯胺盐表面处理后增加其迁移势垒，理论计算结果与实验相一致，降低了开路电压损失，最终实现单结高效宽带隙钙钛矿器件。

图1. PEAI处理前后钙钛矿表面电流分布变化示意图及性能对比

首先，作者从微观上使用c-AFM观测了原始宽带隙钙钛矿薄膜的电流分布，从测试结果可知，电流大小分布不均，富碘相晶粒漏电流明显高于富溴相晶粒漏电流，并且晶界处的漏电流更高于晶粒内部的电流。然而经过PEAI处理钙钛矿表面之后，c-AFM的结果表明钙钛矿薄膜的电流大小分布更加均匀同时晶界处的漏电流也得到了很好的抑制从而钙钛矿器件性能尤其是开路电压得到了提高，如图1所示。

图2. 宽带隙钙钛矿电池的热导纳谱测试结果及离子迁移活化能计算

作者然后进一步从宏观的角度测试了器件的热导纳谱。如图2所示，作者测试了原始器件和PEAI处理后的器件在不同温度下的电容与频率之间的关系，由测试结果分析可知，PEAI处理之后离子迁移的势垒由原始的0.680 eV提升到0.905 eV，揭示了PEAI处理之后可抑制钙钛矿内部的迁移，从而抑制相分离，降低开路电压损失。

同时，作者运用第一性原理理论计算了钙钛矿内部卤素间隙缺陷（以碘离子为例）的扩散势垒。计算结果表明，经过PEAI处理以后，其扩散势垒由0.68 eV提高到0.96 eV，扩散路径得到了有效的封锁，计算结果与热导纳谱的结果相吻合，另外，计算得出PEA层的引入不会改变碘离子浅能级缺陷的性质，进一步证明了PEAI表面处理主要作用是抑制离子迁移而不是改变表面缺陷能级（图3）。

图3. PEAI处理前后碘间隙的扩散示意图及理论计算的扩散势垒高度

最后，作者制备了单结宽带隙钙钛矿器件并成功实现了19%以上的转换效率，并且使用ITO透明电极替代银电极后制备的4-T钙钛矿叠层电池达到24.1%的转换效率，展现了基于宽带隙钙钛矿吸光层的叠层太阳能电池的潜力（图4）。

图 4. 单结宽带隙器件性能及四端叠层器件性能

相关论文近期发表在ACS Energy Letters 上，武汉大学博士研究生陈聪为文章的第一作者，宋肇宁研究助理教授和鄢炎发教授为共同通讯作者。

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Arylammonium-Assisted Reduction of the Open-Circuit Voltage Deficit in Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells: The Role of Suppressed Ion Migration

Cong Chen, Zhaoning Song*, Chuanxiao Xiao, Rasha A. Awni, Canglang Yao, Niraj Shrestha, Chongwen Li, Sandip Singh Bista, Yi Zhang, Lei Chen, Randy J. Ellingson, Chun-Sheng Jiang, Mowafak Al-Jassim, Guojia Fang, Yanfa Yan*

ACS Energy Lett., 2020, 5, 2560–2568, DOI: 10.1021/acsenergylett.0c01350

Publication Date: July 10, 2020

Copyright © 2020 American Chemical Society

导师介绍

鄢炎发

https://www.x-mol.com/university/faculty/39449

（本稿件来自ACS Publications）