Solar RRL: 高效率钙钛矿电池的绿色反溶剂制备

【引言】

开发利用可再生清洁能源是解决未来世界能源、环境等问题的有效手段。制备高效率、低成本、环保安全的太阳电池以实现太阳能的高效利用始终是能源领域中极具挑战的难题之一。近年来，半导体性质优异的有机-无机杂化钙钛矿材料的出现对太阳电池领域的发展起到了巨大地推动作用。高质量钙钛矿材料的薄膜制备是获得高转化效率钙钛矿电池的关键。反溶剂辅助结晶（Anti-solvent assisted crystallization）是一种简单、有效获得高质量钙钛矿薄膜的制备工艺。不过，目前常用的反溶剂主要是甲苯、氯苯、二氯甲烷等高毒性溶剂，不利于该方法的大规模应用。因此,开发绿色环保的新型反溶剂制备工艺对其未来的商业化应用显得尤为必要。

【成果简介】

近日，中国工程物理研究院化工材料研究所郑霄家副研究员、张文华研究员与常州大学合作，在使用绿色反溶剂制备高质量钙钛矿薄膜材料方面取得进展，相关研究成果发表在《Solar RRL》上（DOI: 10.1002/solr.201700213）。期刊编辑对该文章给予高度评价，并撰写了题为“Production of High Efficiency Solar Cells Goes Green”的亮点性评论，该评论已经在线发表在Advanced Science News网站上（https://www.advancedsciencenews.com/production-high-efficiency-solar-cells-goes-green/）。

【图文导读】

（注：以下所有的插图均来自文后文献）

图一 钙钛矿薄膜制备流程及基本性质表征

(a) 反溶剂法制备钙钛矿薄膜流程图；
(b) XRD结果表明苯甲醚反溶剂与氯苯反溶剂得到结晶类似的薄膜；
(c)紫外可见吸收表明钙钛矿薄膜的光吸收性质类似。

图二 钙钛矿薄膜的微观形貌

(a)氯苯反溶剂和（b）苯甲醚反溶剂所制备钙钛矿薄膜的AFM形貌图。AFM结果表明苯甲醚反溶剂可以得到表面更为平整的钙钛矿薄膜（氯苯反溶剂所制备钙钛矿薄膜的Rq为22.2 nm，苯甲醚反溶剂所制备钙钛矿薄膜的Rq为16.3 nm）；
(c) 氯苯反溶剂和（d）苯甲醚反溶剂所制备钙钛矿薄膜的SEM形貌图。SEM结果表明苯甲醚反溶剂可获得晶粒尺寸更大的钙钛矿薄膜。

图三 载流子寿命表征

时间分辨荧光表明苯甲醚反溶剂制备的钙钛矿薄膜具有更长的载流子寿命，且处于文献报道的较高水平。

图四 电池器件性能

（a）钙钛矿电池截面图；
（b）基于苯甲醚反溶剂制备的钙钛矿电池获得了正扫17.79 %，反扫19.42 %的转化效率，优于氯苯反溶剂制备的钙钛矿电池（正扫17.02 %，反扫19.09 %）；
（c）苯甲醚反溶剂制备的钙钛矿电池稳定输出效率为19.08 %，且（d）IPCE在较宽的光谱范围内超过80 %。

图五 电池效率统计分布

（a）开路电压、（b）短路电流密度、（c）填充因子和（d）转化效率的统计分布。

苯甲醚制备的钙钛矿电池开路电压以及填充因子较高，归结于苯甲醚反溶剂所制备的钙钛矿薄膜具有较大的晶粒（减少晶界），利于载流子在钙钛矿薄膜内部的传输并从一定程度上抑制载流子的复合（暗态及光照下的阻抗谱表征，Figure S6）。

【本文亮点】

本工作使用茴香醚绿色溶剂代替氯苯有毒溶剂作为反溶剂制备高质量钙钛矿薄膜，并详细研究了不同反溶剂对钙钛矿薄膜质量的影响。相对于氯苯反溶剂，茴香醚可以有效增加钙钛矿薄膜的晶粒大小，并大大降低其表面粗糙度，进而获得了光生载流子传输更加通畅、复合速率更低、寿命更长的钙钛矿薄膜。在水热生长的TiO₂电子传输材料上制备出的平面型钙钛矿电池取得了19.42%的转换效率（稳定输出效率19.08%），与氯苯反溶剂制备的钙钛矿电池性能相当（转化效率19.09%，稳定输出效率18.47%）。

【小结】

该研究为制备高质量钙钛矿薄膜提供了一条绿色环保的新途径，可以有效降低科研人员的健康安全风险，并解决钙钛矿材料制备过程中所使用的有毒反溶剂对环境造成的污染问题。上述工作得到了得到国家自然科学基金面上项目、四川省重点研究计划、中物院化材所授权基金等项目的资助。

文献链接：Green Anti-Solvent Processed Planar Perovskite Solar Cells with Efficiency Beyond 19%(Solar RRL, 2018, DOI: 10.1002/solr.201700213)

Advanced Science News报道链接：Production of High Efficiency Solar Cells Goes Green

以上资料来自中物院化材所新材料中心-张文华团队，特此感谢！

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