单晶籽晶诱导外延生长实现高效稳定的α-FAPbI3太阳能电池

 

摘要

FAPbI3凭借其出色的光伏特性，成为钙钛矿太阳能电池（PSCs）光吸收层的理想候选材料。然而，由于竞争性光活性δ相的形成能较低，稳定光活性α-FAPbI3仍然是一个挑战。 华中科技大学尤帅、北航张渊和国家纳米科学中心周惠琼团队在Nano Letters上发表的研究成果，采用四乙基三溴化铅 (TEPPbBr3) 单晶作为PbI2外延生长的模板，成功地稳定了α-FAPbI3。TEPPbBr3的策略性使用优化了中间体的演化和钙钛矿的结晶动力学，从而产生高质量且相稳定的α-FAPbI3薄膜。研究人员通过使用光焱科技的太阳光模拟器 (SS-F5)、量子效率测试系统 (QE-R) 和电致发光量子效率测试系统 (REPS) 等设备，对器件的光电性能进行了深入分析。结果表明，TEPPbBr3改性钙钛矿表现出优化的载流子动力学，实现了25.13%的效率和0.34 V的小开路电压损失。此外，目标器件在最大功率点 (MPP) 跟踪下超过1000 小时仍保持其初始效率的90%，展现出优异的长期稳定性。

研究背景

近年来，钙钛矿太阳能电池由于其高效率、低成本和易于制造等优点而备受关注。FAPbI3钙钛矿材料因其更窄的带隙和更高的理论效率而被认为是下一代高效PSCs的理想光吸收层材料。然而，FAPbI3容易形成非光活性的δ相，导致器件性能和稳定性下降。为了克服这一挑战，研究人员致力于开发各种方法来稳定α-FAPbI3相。

研究方法

该研究采用TEPPbBr3单晶作为PbI2外延生长的模板，以调控α-FAPbI3钙钛矿薄膜的结晶过程。研究人员通过X射线衍射 (XRD)、扫描电子显微镜 (SEM) 和紫外-可见吸收光谱等手段对薄膜的结构、形貌和光学性质进行了表征。此外，他们还使用光焱科技的太阳光模拟器 (SS-F5) 对器件的电流密度-电压 (J-V) 特性进行了测试，并使用量子效率测试系统 获得了器件的外部量子效率 (EQE) 曲线。为了进一步探究器件的光物理性质，研究人员利用光焱科技的钙钛矿与有机光伏Voc损耗分析系统  (REPS) 对器件的电致发光 (EL) 光谱进行了分析。

SI参数图13_反向扫描和正向扫描下(A)对照器件和(B)目标器件的J-V曲线

SI参数图16_对照器件和目标器件在不同注入电压下的EL光谱。

研究结果与讨论

研究结果表明，TEPPbBr3单晶的引入有效地调控了PbI2的结晶过程，促进了α-FAPbI3的形成并抑制了δ相的产生。TEPPbBr3改性钙钛矿薄膜表现出更大的晶粒尺寸、更低的缺陷密度和更优异的载流子传输性能。使用光焱科技的太阳光模拟器 (SS-F5) 进行的J-V测试结果显示，基于TEPPbBr3改性钙钛矿的器件实现了25.13%的效率，开路电压 (Voc) 达到1.19 V，短路电流密度 (Jsc) 为25.85 mA/cm2，填充因子 (FF) 为81.69%。此外，使用人员亦可以选择通过光焱科技的量子效率测试系统 (QE-R) 获得的EQE曲线表明，器件在整个可见光范围内都具有较高的量子效率，进一步证实了器件的优异性能。

为了研究器件的长期稳定性，研究人员在最大功率点 (MPP) 跟踪下对器件进行了1000小时的光照测试。结果表明，目标器件在1000小时后仍保持其初始效率的90%，展现出优异的长期稳定性。此外，通过光焱科技的钙钛矿与有机光伏Voc损耗分析系统 (REPS) 对器件的EL光谱进行分析，研究人员发现TEPPbBr3改性钙钛矿的非辐射复合损失显著降低，进一步解释了器件效率和稳定性提升的原因。

结论与展望

该研究通过使用TEPPbBr3单晶作为PbI2外延生长的模板，成功地稳定了α-FAPbI3钙钛矿相，并实现了高效稳定的PSCs。研究结果表明，TEPPbBr3的引入有效地调控了钙钛矿薄膜的结晶过程，优化了器件的载流子动力学，从而显著提高了器件的效率和稳定性。这项工作为制备高效稳定的FAPbI3基PSCs提供了一条有前景的途径，并为钙钛矿太阳能电池的进一步发展奠定了基础。

使用设备

本研究使用光焱科技SS-X系列太阳光模拟器以及REPS 钙钛矿与有机光伏Voc损耗分析系统

原文出處: Nano Letter 2024.4月