物質學院陳剛課題組發現制備垂直取向的純相二維鈣鈦礦薄膜新方法

ON2024-03-21CATEGORY科研進展

近日,上??萍即髮W物質科學與技術學院陳剛課題組發現制備垂直取向的純相二維鈣鈦礦薄膜的新方法,并獲得高效穩定的太陽能電池器件。相關研究成果發表于國際知名期刊Advanced Materials。

二維鈣鈦礦太陽能電池具有優異的穩定性,但二維鈣鈦礦結晶過程不可控,薄膜趨于混相和隨機取向的生長,限制了太陽能電池的光電性能。陳剛課題組在2022年的研究中提出二維鈣鈦礦器件的結構和性能存在強關聯性,垂直取向的二維鈣鈦礦薄膜具備更好的面外載流子傳輸能力,更適用于垂直結構的太陽能電池。進一步研究發現,提高相純度是改善二維鈣鈦礦太陽能電池性能的關鍵,制備垂直取向的純相二維鈣鈦礦薄膜至關重要。目前有兩種制備純相二維鈣鈦礦薄膜方法,一是使用離子液體作為溶劑;二是使用單晶作為種子,誘導二維鈣鈦礦晶體的生長。但兩種方法制備工藝復雜,且由于復雜的結晶動力學行為,同時調控二維鈣鈦礦晶體的取向性和相純度是極具挑戰的。

針對上述問題,陳剛課題組創新性地提出一種表面結晶調控方法,成功制備了兼具垂直取向和相純度的高質量丁胺基二維鈣鈦礦(BA2MA2Pb3I10)二維鈣鈦礦薄膜。由此制備的太陽能電池的能量轉化效率(PCE)達到15.04%,是低n值(n≤3)二維鈣鈦礦的最高效率記錄。同時,這些太陽能電池器件還具有極好的濕熱和放置穩定性:在85℃的氮氣中老化700小時后,未封裝器件保留了初始PCE的94%;在70?C和60±10%的相對濕度的空氣中老化270小時后,保留了初始效率的93%;將器件放置在氮氣環境下超過400天,PCE沒有任何衰減。

研究人員通過可變角度的掠入射廣角X射線衍射(GI-XRD)技術、熒光和紫外吸收光譜以及高分辨透射電鏡表征,證實了薄膜從表面到底面的高相純度和垂直取向性。借助具有高時間分辨率的同步輻射X射線技術,他們實時原位觀測了薄膜的結晶過程,并提出一種全新的結晶機制。研究發現,在旋涂制備薄膜的過程中引入適量的溶劑氣氛,可以調控前驅體中溶劑揮發和結晶的動態平衡,抑制上表面類三維鈣鈦礦的生長,直接在薄膜表面形成化學計量組成的垂直取向的二維鈣鈦礦。以此為模板引導薄膜的生長,可形成純相且垂直取向的二維鈣鈦礦薄膜。該方法大幅提高了太陽能電池器件的光電轉換效率和穩定性,為二維鈣鈦礦在光伏領域發展鋪平了道路。

 

1:表面結晶調制方法制備二維鈣鈦礦薄膜示意及應用可變角度同步輻射X射線衍射和掃描電子顯微鏡技術對薄膜進行表征。


2:同步輻射X射線原位研究薄膜結晶過程以及結晶機制示意圖。


3:器件的截面以及性能表征。


上科大物質學院2022級博士研究生陳賓為文章的第一作者,陳剛教授為通訊作者,曹克誠教授提供了高分辨透射電鏡的支持,上??萍即髮W為唯一完成單位。該研究得到了上科大物質學院分析測試平臺、電鏡中心和上海光源的大力支持。

論文標題Surface Crystallization Modulation Towards Highly-Oriented and Phase-Pure Two-Dimensional Perovskite Solar Cells

論文鏈接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.2023120544