北大周欢萍课题组JACS：探究高性能准二维钙钛矿太阳能电池的结晶动力学

【引言】

有机—无机卤化物钙钛矿材料，由于其优越的光电特性，在近年来吸引了人们极大的兴趣。卤化物钙钛矿在通过降低维度而提高了稳定性的同时还能保持相对不错的性能。但是目前对Q-2D钙钛矿薄膜的结晶动力学机理和晶体微观结构的研究少之又少。

【成果简介】

最近，北京大学周欢萍课题组采用三元阳离子卤化物钙钛矿(BA)₂(MA_,FA)₃Pb₄I₁₃Q-2D的钙钛矿作为原型，研究了多晶薄膜的晶体取向、载流子行为和薄膜生长结晶动力学过程。该研究发表于Journal of the American Chemical Society，题为“Exploration of Crystallization Kinetics in Quasi Two-Dimensional Perovskite and High Performance Solar Cells”。他们揭示了引入FA⁺可以很大程度改变准二维钙钛矿的结晶动力学过程，引入适当FA⁺可得到减少非辐射复合中心，保持高取向态的高质量薄膜。并且他们首次利用原位光致发光技术观察了Q-2D相的形成过程，极大地促进了对准二维钙钛矿晶体生长过程中掺杂行为的理解，最终此钙钛矿光伏器件也达到了最高为12.81％的效率，是目前n=4的准二维钙钛矿太阳能反式结构电池的最高效率。该论文的第一作者为北京大学工学院博士研究生周宁。

【图文导读】

图1.薄膜的XRD与SEM图像

（a）XRD图；

（b）-（e）为(BA)₂(MA_1-xFA_x)₃Pb₄I₁₃分别在x = 0, 0.2, 0.4和0.6时膜的SEM图像。

图2.钙钛矿薄膜的GIWAXS图像

当x=0, 0.2, 0.4和0.6时，(BA)₂(MA_1-xFA_x)₃Pb₄I₁₃钙钛矿薄膜的GIWAXS图。

图3.各材料的PL光谱

（a）(BA)₂(MA_,FA)₃Pb₄I₁₃系列Q-2D钙钛矿薄膜的稳态PL光谱；

（b）ITO/(BA)₂(MA_,FA)₃Pb₄I₁₃系列Q-2D钙钛矿薄膜的TRPL光谱。

图4.钙钛矿结构图与原位PL图谱

（a）和（b）为不同MA/FA比例的(BA)₂(MA_,FA)₃Pb₄I₁₃钙钛矿结构图（a）(BA)₂(MA_0.8FA_0.2)₃Pb₄I₁₃，（b）(BA)₂(MA_0.4FA_0.6)₃Pb₄I₁₃；

（c）通过检测在585nm (n = 2)，670nm (n = 4)和780 (n =∞)处的发射峰，(BA)₂(MA)₃Pb₄I₁₃膜的原位PL测量结果。

图5.器件结构与性能

（a）Q-2D钙钛矿太阳能电池的器件结构；

（b）和（c）分别为基于(BA)₂(MA)₃Pb₄I₁₃和(BA)₂(MA_0.8FA_0.2)₃Pb₄I₁的钙钛矿太阳能电池的最佳J-V曲线和EQE光谱；

（d）和（e）分别为J_sc和V_oc作为反式平面钙钛矿太阳能电池器件光强度的函数曲线；

（f）为采用正式器件结构，在湿度为40％-60％的空气中储存1300小时的Q-2D钙钛矿太阳能电池的长期稳定性测试。

【小结】

此项研究中设计了一系列Q-2D三元阳离子卤化物钙钛矿(BA)₂(MA,FA)₃Pb₄I₁₃，其中，FA逐渐替代MA。研究人员通过XRD，GIWAXS，SEM，PL和TRPL等对其相态，形貌和光电性质进行了系统的探究。结果表明，适当的FA⁺掺入可获得高度取向的准二维钙钛矿薄膜，并可减少所得到薄膜的非辐射复合中心。此外，通过原位PL表征，首次解析了准二维钙钛矿薄膜结晶成长的动力学机制。这些发现极大地促进对Q-2D钙钛矿薄膜生长过程中掺杂行为的理解。所得到的钙钛矿太阳能电池的PCE达12.81％，是目前n=4的Q-2D钙钛矿太阳能反式结构电池的最高效率。

【团队介绍】

周欢萍研究员课题组自建立两年来，一直致力于发展高效率，高稳定的钙钛矿型太阳能电池。随着对有机／无机钙钛矿材料认识的加深，其更进一步的研究挑战主要是如何理性地设计晶体结构（热力学），调控其晶体生长过程（动力学），以实现所需要的晶体性质，从而更好地提高相应光电器件的性能及稳定性。其针对有机／无机钙钛矿材料的晶体结构以及微介观结构进行研究，主要着眼于晶体设计、可控合成、及多晶薄膜生长过程中的形貌、结构/微结构的控制和缺陷化学，并取得了一系列重要进展。相关文章发表在：J. Am. Chem. Soc., DOI 10.1021/jacs.7b11157; Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201606774; Adv. Mater., 2016, 28(44): 9862-9868; ACS nano, 2017, 11 (9), 8804-8813; Nano Energy, 2017, 40, 540-549; Small 2017, 13, 1700484等。

感谢国家自然科学基金(51722201，51672008，91733301), 国家重点研发计划 （2017YFA0206701）, 国家青年千人项目，新奥集团和上海光源BL14B1同步辐射装置（SSRF）提供测试。

文献链接：Exploration of Crystallization Kinetics in Quasi Two-Dimensional Perovskite and High Performance Solar Cells(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b11157)

本文由材料人计算材料组Annay供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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