南昌大学陈义旺教授、谈利承教授Adv. Energy Mater. ：氟化物使钙钛矿太阳能电池具有出色的水汽稳定性和热稳定性

【引言】

虽然钙钛矿太阳能电池具有高能量转换效率，但其稳定性远未达到其商业化的要求。目前很多钙钛矿太阳能电池的热稳定性不能满足标准稳定性测试的要求。尤其是，钙钛矿材料在高温下的热分解、晶体转换、杂质扩散、晶体缺陷的形成、相界和晶界的变化会严重影响钙钛矿太阳能电池的光电性能。同时，钙钛矿太阳能电池的活性层的体积增大，导致水汽和氧气扩散到活性层内，从而使活性层发生化学降解。水汽渗透到钙钛矿薄膜内，会使钙钛矿薄膜迅速降解。很多种疏水性材料可以保护钙钛矿太阳能电池不和水汽接触，但这些材料不导电。氟化合物具有出色的耐水汽性和耐热性。多功能氟聚合物在钙钛矿太阳能电池中具有较高的稳定性性，同时不影响起始的能量转换效率，但氟聚合物不利于电荷传输。

【成果简介】

近日，南昌大学陈义旺教授、谈利承教授（共同通讯作者）在Adv. Energy Mater.上报道了首次在钙钛矿薄膜中引入氟化的苝四羧酸二酰亚胺(F-PDI) 来提高钙钛矿太阳能电池的光伏性能、水汽稳定性和热稳定性。导电的F-PDI分子充满钙钛矿薄膜的表面和晶界，能通过晶界钝化缺陷和促进电荷传输，因为F-PDI的羰基和非配位的铅之间形成了螯合。F-PDI和钙钛矿薄膜形成多重疏水结构，保护钙钛矿薄膜免受水汽侵蚀。结果，吸收层分别为MAPbI₃和 Cs_0.05(FA_0.83MA_0.17)_0.95Pb(Br_0.17I_0.83)₃的钙钛矿太阳能电池的最高能量转换效率分别为18.28% 和 19.26%。钙钛矿太阳能电池不仅在湿度50%的环境中暴露30天，保留了超过80%的初始效率，而且在同样湿度的条件下经过24h的100℃加热后，保留了差不多70%的初始效率。

【图文简介】

图1.

a)钙钛矿太阳能电池的结构

b)F-PDI和钙钛矿的相互作用，包括羰基和铅的螯合以及氟原子和氢原子形成的氢键。

c)F-PDI通过固定甲胺离子（MA⁺）提高钙钛矿太阳能电池的热稳定性。

图2.纯钙钛矿薄膜和F-PDI比例不同的钙钛矿薄膜的a–d) 顶部SEM图 和 e–h) 截面SEM图

图3.纯钙钛矿薄膜和F-PDI比例不同的钙钛矿薄膜的a)XRD图、b)UV-vis 吸收谱图、c)稳态光致发光光谱和d)时间分辨光致发光光谱

图4.

a)分别基于纯钙钛矿薄膜和F-PDI比例不同的钙钛矿薄膜的钙钛矿太阳能电池在光照强度为100mW/cm²的太阳光谱下的电流密度-电压曲线

b)分别基于纯钙钛矿薄膜和含F-PDI钙钛矿薄膜的钙钛矿太阳能电池正向和反向扫描测得的电流密度-电压曲线

c)分别基于纯钙钛矿薄膜和含F-PDI钙钛矿薄膜的钙钛矿太阳能电池的能量转换效率

d)分别基于纯钙钛矿薄膜和含F-PDI钙钛矿薄膜的钙钛矿太阳能电池的外部量子效率和短路电流密度

e)分别基于纯钙钛矿薄膜和含F-PDI钙钛矿薄膜的钙钛矿太阳能电池的稳态光电流和能量转换效率

f)分别基于纯钙钛矿薄膜和含F-PDI钙钛矿薄膜的钙钛矿太阳能电池的暗场的电流密度-电压曲线

图5.钙钛矿太阳能电池的电荷提取性质

a,b)分别只有空穴和电子的钙钛矿太阳能电池的电流密度-电压曲线

c,d)分别基于纯钙钛矿薄膜和含F-PDI钙钛矿薄膜的钙钛矿太阳能电池在不同的照明条件下，短路电流密度和开路电压之间的关系

图6.钙钛矿太阳能电池和钙钛矿薄膜稳定性

a,b)在湿度50%的环境中暴露30天的纯钙钛矿薄膜和含F-PDI钙钛矿薄膜的照片和GIXRD 图

c)不同环境中的分别基于纯钙钛矿薄膜和含F-PDI钙钛矿薄膜的钙钛矿太阳能电池的长期效率稳定性

d,e)纯钙钛矿薄膜和含F-PDI钙钛矿薄膜的GIXRD 图随着加热温度或加热时间的变化而产生变化

f)分别基于纯钙钛矿薄膜和含F-PDI钙钛矿薄膜的钙钛矿太阳能电池在不同的温度下老化，它们的能量转换效率随着时间的推移而发生变化

g)暴露在85℃的空气中10h的、分别基于纯钙钛矿薄膜和含F-PDI钙钛矿薄膜的钙钛矿太阳能电池的Ag 和 I⁻的TOF-SIMS元素深度

【小结】

研究团队首次将F-PDI加入到钙钛矿的晶界和表面，优化了钙钛矿太阳能电池的光伏性能、水汽稳定性和热稳定性。F-PDI和晶界形成化学键，降低了缺陷的密度，促进载流子传输，因此抑制了界面积累和非辐射复合。吸收层为 Cs_0.05(FA_0.83MA_0.17)_0.95Pb(Br_0.17I_0.83)₃的钙钛矿太阳能电池的最高能量转换效率高达19.26%。重要的是， F-PDI 能阻隔水汽，有益于钙钛矿太阳能电池的湿气稳定性。同时，F-PDI和MA⁺形成强氢键，改善了钙钛矿太阳能电池的热稳定性。湿气稳定性和热稳定性的强化都通过测试表现出来。这项研究成果为湿气稳定性和热稳定性优异的钙钛矿太阳能电池的商业化指明了方向。

文献链接：High‐Performance Perovskite Solar Cells with Excellent Humidity and Thermo‐Stability via Fluorinated Perylenediimide（Adv. Energy Mater. 2019,DOI: 10.1002/aenm.201900198）

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