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气—固相法制备高取向性及高稳定性的钙钛矿薄膜

近年来,有机金属杂化钙钛矿薄膜因其优良的光电性能得到了广泛的研究和关注,该材料太阳能电池的光电转化效率已从2009年的3.8%,迅速地提升到了如今的22.1%,但其稳定性和大规模制备的挑战仍然阻碍着钙钛矿电池的工业生产与应用。近日,香港中文大学电子工程系的钙钛矿太阳能电池研究团队首次利用低分压MA(甲胺)气体,基于MA+HPbI3(气+固)反应,实现了快速制备大面积、高效率、高结晶性及高稳定性的CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜。


为了达到高稳定性、大面积且易于制备等目标,该团队提出并设计了一种气体反应器,实现了在室温和大气环境下制备大面积高结晶性钙钛矿薄膜。这一简易的制备方法通过使用气体反应器调节MA气体与空气混合气体的分压,与已沉积好的HPbI3薄膜进行反应,能快速(30秒)且批量地制备出高质量的钙钛矿薄膜,其光电转换效率达到了18.9%。由该方法制备的钙钛矿薄膜具有高取向性的结构,结晶性接近于单晶钙钛矿,表面的粗糙度极小,且组分中MA含量稍多于化学计量比。组分中富余的MA分子能起到晶粒之间的交联作用,从而有利于晶体的高取向性和致密性。此外,富余的MA分子能够在潮湿环境中与水分子结合,形成类似于钙钛矿的衍生物,从而阻止了水对钙钛矿结构本身的破坏,减缓了退化过程,从而大幅度地提高了薄膜湿度稳定性。研究结果表明,这一方法制备的钙钛矿薄膜能够在约65%湿度的环境中维持其钙钛矿结晶性近两个月,这种高稳定的CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜也是第一次在文献中报道。同时,利用此气—固反应过程和反应器,能够制备出致密的大面积钙钛矿薄膜(5×5 cm2),这在工业化生产中具有很好的规模化优势。该方法具有生产成本低、环境依赖性小、制备周期短、大面积制备、高效率及高稳定性等特点,将有力地推动钙钛矿太阳能电池的商业化应用,值得进一步研究。


这一成果近期发表在Nano Energy 杂志上。该课题组在钙钛矿电池研究方面取得了一系列的突破和成果,相关内容发表在Nature CommunicationsJournal of the American Chemical SocietyAdvanced Energy MaterialsNano Energy 等期刊上,主要致力于有机—无机杂化钙钛矿反应和退化机理的研究,以提高其长期的湿度及热稳定性。


该论文的作者为:Long, Mingzhu, Zhang, Tiankai, Zhu, Houyu, Li, Guixia, Wang, Feng, Guo, Wenyue, Chai, Yang, Chen, Wei, Li, Qiang and Wong, Kam Sing, Jianbin Xu, Keyou Yan

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Textured CH3NH3PbI3 thin film with enhanced stability for high performance perovskite solar cells

Nano Energy, 2017, 33, 485, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.02.002


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